L'effetto piezoelettrico è l'effetto della polarizzazione di un dielettrico sotto l'influenza di
Con l'effetto piezoelettrico diretto, deformazionedi un campione piezoelettrico porta alla comparsa di una tensione elettrica tra le superfici di un solido deformabile; nel caso dell'effetto piezoelettrico inverso, l'applicazione di una tensione al corpo ne provoca la deformazione.
Cosa sono i materiali piezoelettrici?
I materiali piezoelettrici sono materiali che hanno la capacità di generare una carica elettrica interna dasollecitazione meccanica applicata.
Alcune sostanze presenti in natura mostrano un effetto piezoelettrico. Questi includono:
- Osso,
- Cristalli,
- Certe ceramiche,
- DNA,
- Smalto,
- Seta,
- Dentina e altro ancora.
Materiali che dimostranol'effetto piezoelettrico mostra anche l'effetto piezoelettrico inverso (chiamato anche effetto piezoelettrico inverso o inverso). L'effetto piezoelettrico inverso è la generazione interna di stress meccanico in risposta a un campo elettrico applicato.
Storia dei materiali piezoelettrici
I cristalli sono stati il primo materiale utilizzatonei primi esperimenti con piezoelettricità. I fratelli Curie, Pierre e Jacques, dimostrarono per la prima volta l'effetto piezoelettrico diretto nel 1880. Gli scienziati hanno ampliato la loro conoscenza pratica delle strutture cristalline e dei materiali piroelettrici (materiali che generano una carica elettrica in risposta ai cambiamenti di temperatura).
Hanno misurato le cariche superficiali dei seguenti cristalli specifici, vale a dire:
- Zucchero di canna
- Tormalina,
- Quarzo,
- Topazio,
- Sale di Rochelle (sale sodio-potassio dell'acido tartarico),
Di conseguenza, sono stati il quarzo e il sale di Rochelle a dimostrare gli effetti piezoelettrici più elevati.
Tuttavia, i fratelli Curie non avevano previsto il contrario.effetto piezoelettrico. È stato matematicamente derivato da Gabriel Lippmann nel 1881. Curie ha quindi confermato l'effetto e fornito prove quantitative per la reversibilità delle deformazioni elettriche, elastiche e meccaniche nei cristalli piezoelettrici.
Nel 1910, c'erano 20 classi di cristalli naturali in cui è stato osservato l'effetto piezoelettricosono stati completamente definiti e pubblicati in Lehrbuch Der Kristallphysik, "Libro di testo di fisica dei cristalli".Ma è rimasto un campo di nicchia della fisica poco conosciuto e ad alta tecnologia, senza applicazioni tecnologiche o commerciali visibili.
Fino all'arrivo della guerra.
Guerra mondiale
Prima applicazione tecnologicail materiale piezoelettrico è stato utilizzato come rilevatore sottomarino a ultrasuoni. Il rilevatore di plastica è costituito da un trasduttore (un dispositivo che converte un tipo di energia in un altro) e da un idrofono. Il trasduttore è costituito da sottili cristalli di quarzo incollati tra due piastre di acciaio.
L'enorme successo del rilevatore ad ultrasuonii sottomarini durante la guerra stimolarono l'intenso sviluppo tecnologico dei dispositivi piezoelettrici. Dopo la prima guerra mondiale, le ceramiche piezoelettriche furono utilizzate nelle cartucce fonografiche.
La seconda guerra mondiale
L'uso di materiali piezoelettrici è progredito in modo significativo durante la seconda guerra mondiale grazie alla ricerca indipendente di Giappone, URSS e Stati Uniti.
In particolare, progressi nella comprensione della relazionetra struttura cristallina e attività elettromeccanica, insieme ad altri progressi della ricerca, hanno completamente cambiato l'approccio alla tecnologia piezoelettrica. Per la prima volta, gli ingegneri sono stati in grado di manipolare materiali piezoelettrici per una particolare applicazione del dispositivo, invece di osservare le proprietà dei materiali e quindi cercare usi adeguati delle proprietà osservate.
Questo sviluppo ha permesso la creazione di moltiapplicazioni legate alla guerra di materiali piezoelettrici come microfoni ultrasensibili, dispositivi sonar ad alta potenza, boe sonar (piccole boe con la capacità di ascoltare un idrofono e trasmissione radio per monitorare il movimento delle navi oceaniche) e sistemi di accensione piezoelettrica per accensione monocilindrica.
Cristalli piezoelettrici: cosa sono?
Di seguito è riportato un elenco incompletocristalli piezoelettrici con alcune brevi descrizioni del loro utilizzo. Discuteremo in seguito alcune applicazioni specifiche dei materiali piezoelettrici più comunemente usati.
Cristalli naturali:
- Il quarzo è un cristallo stabile utilizzato nei cristalli dell'orologio e nei cristalli di riferimento di frequenza per i trasmettitori radio,
- Saccarosio (zucchero da tavola)
- Sale di Rochelle: produce molta tensione con la compressione; utilizzato nei primi microfoni a cristallo.
- Topazio,
- Tormalina,
- Berlinite (AlPO₄.) — un raro minerale fosfato strutturalmente identico al quarzo.
Cristalli tecnogenici- Ortofosfato di gallio (GaPO₄), un analogo del quarzo e langasite, un analogo del quarzo.
Ceramica piezoelettrica:
- Titanato di bario (BaTiO₃). Viene scoperta la prima ceramica piezoelettrica.
- Titanato di piombo (PbTiO₃)
- Titanato di zirconato di piombo (PZT)
- Niobato di potassio (KNbO₃)
- Niobato di litio (LiNbO₃)
- Tantalato di litio (LiTaO₃)
- Tungstato di sodio (Na₂WO₄)
Ceramica piezoelettrica senza piombo:
I seguenti materiali sono stati sviluppati in risposta alle preoccupazioni sugli effetti nocivi del piombo sull'ambiente.
- Niobato di sodio e potassio (NaKNb). Questo materiale ha proprietà simili a PZT.
- Ferrite di bismuto (BiFeO₃)
- Niobato di sodio (NaNbO₃)
Materiali piezoelettrici biologici:
- Tendine
- Legna
- Seta
- Smalto
- Dentina
- Collagene
Applicazioni di materiali piezoelettrici
I materiali piezoelettrici sono utilizzati in molti settori, tra cui:
- Produzione
- Apparecchiature mediche
- Telecomunicazioni
- Industria automobilistica
- Tecnologia dell'informazione (IT)
Alimentatori ad alta tensione:
- Accendini elettrici.Quando si preme il pulsante sull'accendino, il pulsante fa sì che un piccolo martello caricato a molla colpisca il cristallo piezoelettrico, creando una corrente ad alta tensione che scorre attraverso lo spazio per riscaldare e accendere il gas.
- Griglie o fornelli a gas e fuochi a gas. Funzionano allo stesso modo degli accendini, ma su scala più ampia.
- Trasduttore piezoelettrico. Viene utilizzato come moltiplicatore di tensione CA nelle lampade fluorescenti a catodo freddo.
Sensori piezoelettrici
I trasduttori a ultrasuoni vengono utilizzati inimaging medico quotidiano. Il trasduttore è un dispositivo piezoelettrico che funge sia da sensore che da attuatore. I trasduttori a ultrasuoni contengono un elemento piezoelettrico che converte un segnale elettrico in vibrazione meccanica (modalità di trasmissione o componenti di azionamento) e una vibrazione meccanica in un segnale elettrico (modalità di ricezione o componente del sensore).
L'elemento piezoelettrico viene solitamente tagliato a metà della lunghezza d'onda desiderata del trasduttore ultrasonico.
Altri tipi di sensori piezoelettrici includono:
- Microfoni piezoelettrici.
- Pickup piezo per chitarre elettroacustiche.
- Onde sonar. Le onde sonore sono generate e ricevute da un elemento piezoelettrico.
- Pad per batteria elettronica. Gli elementi rilevano l'impatto delle bacchette dei batteristi sui pad.
- Acceleromiografia medica.Viene utilizzato quando una persona è sotto anestesia e viene iniettata con miorilassanti. L'elemento piezoelettrico nell'acceleromiografo determina la forza che si verifica nel muscolo dopo la stimolazione nervosa.
Attuatori piezoelettrici
Uno dei vantaggi degli attuatori piezoelettriciè che l'alta tensione del campo elettrico corrisponde a minuscole variazioni micrometriche nella larghezza del cristallo piezoelettrico. Queste micro-masse rendono i cristalli piezoelettrici utili come attuatori quando è richiesto il posizionamento preciso di piccoli oggetti, come nei seguenti dispositivi:
- Altoparlanti
- Motori piezoelettrici
- Elettronica laser
- Stampanti a getto d'inchiostro (i cristalli controllano il rilascio di inchiostro dalla testina di stampa sulla carta)
- Motori diesel
- Persiane a raggi X.
Materiali intelligenti
I materiali intelligenti sono un'ampia classe di materiali,le cui proprietà possono essere modificate in modo controllato da influenze esterne come pH, temperatura, sostanze chimiche, campo magnetico o elettrico applicato o tensione.
I materiali piezoelettrici sono conformi a questodefinizione, perché una tensione applicata crea una tensione nel materiale piezoelettrico e, viceversa, l'applicazione di una tensione esterna produce anche elettricità nel materiale.
Materiali intellettuali aggiuntiviincludono leghe a memoria di forma, materiali alocromici, materiali magnetocalorici, polimeri termosensibili, materiali fotovoltaici e molti altri.
Qual è il futuro dei materiali piezoelettrici?
Qual è il futuro dei materiali piezoelettrici?futuro? È un’idea entusiasmante che i materiali in nanofibra piezoelettrica possano essere utilizzati commercialmente come fonte di energia. Si affidano alla forza meccanica per generare elettricità. Pertanto, se li posizioni, ad esempio, su un touch screen, possono fungere da caricabatterie del dispositivo. Naturalmente, parte della potenza creata è destinata all'esecuzione dell'azione sul touch screen. Ma c'è un'opzione per creare risorse aggiuntive.
I due materiali più popolari utilizzati per i nanogeneratori sono i polimeri fluoruro di polivinilidene(PVDF)e ceramica Zirconato di piombo Titanato (PZT). Il PVDF si dimostra più altoproprietà piezoelettriche rispetto ad altri polimeri. Ciò è dovuto alla sua struttura cristallina polare. Anche il PZT ha una struttura cristallina ed è in grado di generare tensioni molto più elevate rispetto ad altri materiali piezoelettrici per la raccolta di energia. È anche meccanicamente più resistente, soprattutto sotto forma di nanofili.
Il designer industriale Jung-Hoon Kimhas ha ideatola brillante idea di utilizzare la piezoelettricità per alimentare un'auto. Questi dispositivi, che caricano le batterie, ricevono energia dalle vibrazioni che si verificano quando l'auto è in movimento. Questa tecnologia non produce emissioni e non dipende da combustibili fossili, il che la rende rispettosa dell'ambiente.
Un altro designer industriale, Paul Frigu,ha sviluppato un telefono cellulare che può essere ricaricato da solo! Il modello Zeri utilizza sistemi termoelettrici e piezoelettrici. Il primo utilizza le variazioni di temperatura per generare carica; il secondo sono le vibrazioni dell'aria. Queste due caratteristiche rendono il tuo smartphone ecologico al 100%.
Il messicano Alberto Villarreal ha creato un paio di scarpe,che illumina il percorso al suo proprietario. Utilizzando l'energia cinetica del camminare o della corsa, i polimeri elettroluminescenti possono produrre luce. Questi effetti saranno utili per i corridori.
La prossima tecnologia innovativa è nel settorecompresse. L'utilizzo dell'input touchscreen rigenerativo potrebbe essere il modo migliore per caricare questi popolari gadget. In media (statisticamente) la persona media tocca il touchscreen 1.000 volte al giorno. Questa è una potenza più che sufficiente per alimentare il tablet.
Infine, forse il più interessantegadget piezoelettrico - doccia. Progettato da ingegneri finlandesi, messicani e tedeschi, contiene molti piccoli nanofili. Questi nanofili utilizzano l'energia dell'acqua che passa per generare elettricità, che viene utilizzata per riscaldare l'acqua. Il dispositivo dispone anche di pannelli touch che monitorano la quantità di acqua utilizzata e contano il tempo che l'utente trascorre sotto la doccia. C'è anche un regolatore che controlla la pressione dell'acqua.
Leggi di più
I fisici hanno creato un analogo di un buco nero e hanno confermato la teoria di Hawking. Dove porta?
Gli scienziati hanno scoperto la mitica particella di Odderon
Il fenomeno naturale più misterioso. Da dove vengono i fulmini globulari e in che modo sono pericolosi?
Il dielettrico è una sostanza relativamente cattivacorrente elettrica conduttiva. Le proprietà elettriche dei dielettrici sono determinate dalla loro capacità di polarizzare in un campo elettrico esterno. Il termine è stato introdotto nella scienza dal fisico inglese M. Faraday. La concentrazione dei portatori di carica libera nel dielettrico non supera i 10⁸ cm⁻³.