L'effetto piezoelettrico fu scoperto dagli scienziati francesi fratelli Curie alla fine del XIX secolo. A quel tempo era troppo presto per parlare dell'applicazione pratica del fenomeno scoperto, ma al momento gli elementi piezoelettrici sono ampiamente utilizzati sia nella tecnologia che nella vita di tutti i giorni.
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L'essenza dell'effetto piezoelettrico
Famosi fisici hanno stabilito che quando alcuni cristalli (cristallo di rocca, tormalina, ecc.) si deformano, sulle loro facce si formano cariche elettriche. Allo stesso tempo, la differenza di potenziale era piccola, ma era stata riparata con sicurezza dai dispositivi che esistevano in quel momento e collegando sezioni con cariche polari opposte usando conduttori, era possibile ottenere elettricità. Il fenomeno si risolveva solo nella dinamica, al momento della compressione o dello stiramento. La deformazione in modalità statica non ha causato un effetto piezoelettrico.
Ben presto, l'effetto opposto fu teoricamente giustificato e scoperto nella pratica: quando veniva applicata una tensione, il cristallo si deformava.Si è scoperto che entrambi i fenomeni sono interconnessi: se una sostanza mostra un effetto piezoelettrico diretto, allora è inerente anche il contrario e viceversa.
Il fenomeno si osserva in sostanze con reticolo cristallino di tipo anisotropo (le cui proprietà fisiche sono diverse a seconda della direzione) con sufficiente asimmetria, nonché alcune strutture policristalline.
In qualsiasi corpo solido, le forze esterne applicate provocano deformazioni e sollecitazioni meccaniche e nelle sostanze con effetto piezoelettrico provocano anche la polarizzazione delle cariche e la polarizzazione dipende dalla direzione della forza applicata. Quando si cambia la direzione di esposizione, cambiano sia la direzione di polarizzazione che la polarità delle cariche. La dipendenza della polarizzazione dalla sollecitazione meccanica è lineare ed è descritta dall'espressione P=dt, dove t è la sollecitazione meccanica, ed è un coefficiente chiamato modulo piezoelettrico (modulo piezoelettrico).
Un fenomeno simile si verifica con l'effetto piezoelettrico inverso. Quando cambia la direzione del campo elettrico applicato, cambia la direzione della deformazione. Anche qui la dipendenza è lineare: r=dE, dove E è l'intensità del campo elettrico e r è la deformazione. Il coefficiente d è lo stesso per gli effetti piezoelettrici diretti e inversi per tutte le sostanze.
In effetti, le equazioni di cui sopra sono solo stime. Le effettive dipendenze sono molto più complicate e sono anche determinate dalla direzione delle forze relative agli assi del cristallo.
Sostanze ad effetto piezoelettrico
Per la prima volta, l'effetto piezoelettrico è stato riscontrato nei cristalli di rocca (quarzo). Ad oggi, questo materiale è molto comune nella produzione di elementi piezoelettrici, ma nella produzione non vengono utilizzati solo materiali naturali.
Molti piezoelettrici sono costituiti da sostanze con la formula ABO.3, ad esempio BaTiO3, РbТiO3. Questi materiali hanno una struttura policristallina (costituita da molti cristalli) e, per dare loro la capacità di esibire un effetto piezoelettrico, devono essere sottoposti a polarizzazione utilizzando un campo elettrico esterno.
Esistono tecnologie che consentono di ottenere piezoelettrici a film (polivinilidene fluoruro, ecc.). Per dare loro le proprietà necessarie, devono anche essere polarizzati a lungo in un campo elettrico. Il vantaggio di tali materiali è uno spessore molto piccolo.
Proprietà e caratteristiche delle sostanze ad effetto piezoelettrico
Poiché la polarizzazione si verifica solo durante la deformazione elastica, una caratteristica importante di un piezomateriale è la sua capacità di cambiare forma sotto l'azione di forze esterne. Il valore di questa capacità è determinato dalla cedevolezza elastica (o rigidità elastica).
I cristalli con effetto piezoelettrico sono altamente elastici: quando la forza (o lo stress esterno) viene rimossa, tornano alla loro forma originale.
I piezocristalli hanno anche una propria frequenza di risonanza meccanica. Se fai vibrare il cristallo a questa frequenza, l'ampiezza sarà particolarmente grande.
Poiché l'effetto piezoelettrico si manifesta non solo da cristalli interi, ma anche da lastre da essi tagliate in determinate condizioni, è possibile ottenere pezzi di sostanze piezoelettriche con risonanza a frequenze diverse, a seconda delle dimensioni geometriche e della direzione del taglio.
Inoltre, le proprietà vibrazionali dei materiali piezoelettrici sono caratterizzate da un fattore di qualità meccanica. Mostra quante volte l'ampiezza delle oscillazioni alla frequenza di risonanza aumenta con una forza applicata uguale.
C'è una chiara dipendenza delle proprietà di un piezoelettrico dalla temperatura, che deve essere presa in considerazione quando si usano i cristalli. Questa dipendenza è caratterizzata dai coefficienti:
- il coefficiente di temperatura della frequenza di risonanza mostra quanto va via la risonanza quando il cristallo viene riscaldato/raffreddato;
- il coefficiente di dilatazione termica determina quanto cambiano le dimensioni lineari della piastra piezoelettrica con la temperatura.
Ad una certa temperatura, il piezocristallo perde le sue proprietà. Questo limite è chiamato temperatura di Curie. Questo limite è individuale per ogni materiale. Ad esempio, per il quarzo è +573 °C.
Uso pratico dell'effetto piezoelettrico
L'applicazione più famosa degli elementi piezoelettrici è come elemento di accensione. L'effetto piezoelettrico viene utilizzato negli accendini tascabili o negli accenditori da cucina per fornelli a gas. Quando il cristallo viene premuto, si verifica una differenza di potenziale e appare una scintilla nel traferro.
Quest'area di applicazione degli elementi piezoelettrici non è esaurita. I cristalli con un effetto simile possono essere utilizzati come estensimetri, ma quest'area di utilizzo è limitata dalla proprietà dell'effetto piezoelettrico di apparire solo in dinamica: se le modifiche si fermano, il segnale smette di generare.
I piezocristalli possono essere utilizzati come microfono: se esposti a onde acustiche, si formano segnali elettrici. L'effetto piezoelettrico inverso consente anche (a volte simultaneamente) l'uso di elementi come emettitori di suoni. Quando un segnale elettrico viene applicato al cristallo, l'elemento piezoelettrico inizierà a generare onde acustiche.
Tali emettitori sono ampiamente utilizzati per creare onde ultrasoniche, in particolare nella tecnologia medica. In questo possono essere utilizzate anche le proprietà risonanti della piastra.Può essere utilizzato come filtro acustico che seleziona solo le onde di frequenza naturali. Un'altra opzione consiste nell'utilizzare un elemento piezoelettrico in un generatore di suoni (sirena, rilevatore, ecc.) contemporaneamente come elemento di impostazione della frequenza e di emissione del suono. In questo caso, il suono sarà sempre generato alla frequenza di risonanza e si potrà ottenere il massimo volume con un ridotto consumo di energia.
Le proprietà di risonanza vengono utilizzate per stabilizzare le frequenze dei generatori che operano nella gamma di radiofrequenze. Le lastre di quarzo svolgono il ruolo di circuiti oscillatori altamente stabili e di alta qualità nei circuiti di impostazione della frequenza.
Ci sono ancora fantastici progetti per convertire l'energia della deformazione elastica in energia elettrica su scala industriale. È possibile utilizzare la deformazione della pavimentazione sotto l'influenza della gravità di pedoni o automobili, ad esempio, per illuminare sezioni di binari. È possibile utilizzare l'energia di deformazione delle ali dell'aeromobile per fornire la rete dell'aeromobile. Tale utilizzo è vincolato dall'insufficiente efficienza degli elementi piezoelettrici, ma sono già stati realizzati impianti pilota che hanno mostrato la promessa di un ulteriore miglioramento.
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