Como funciona o elemento piezo e qual é o efeito piezo

O efeito piezoeléctrico foi descoberto no final do século XIX pelos irmãos franceses Curie. Nessa altura, ainda era demasiado cedo para falar sobre a aplicação prática do fenómeno descoberto, mas hoje em dia os elementos piezoeléctricos são amplamente utilizados tanto na tecnologia como na vida quotidiana.

Essência do efeito piezo

Físicos bem conhecidos descobriram que quando certos cristais (cristal de rocha, turmalina, etc.) são deformados nas suas facetas surgem cargas eléctricas. A diferença potencial era no entanto pequena, mas era claramente detectável pelos dispositivos então disponíveis e ligando as áreas com cargas polares opostas por meio de condutores que se podia receber corrente eléctrica. O fenómeno foi registado apenas em dinâmica, no momento da contracção ou do alongamento. A deformação estática não produziu o efeito piezoeléctrico.

O efeito oposto foi logo justificado teoricamente e descoberto na prática - o cristal deformou-se quando foi aplicada uma tensão. Verificou-se que os dois fenómenos estão inter-relacionados - se uma substância apresenta um efeito piezo directo, também apresenta um efeito inverso, e vice-versa.

O fenómeno é observado em substâncias com uma malha de cristal anisotrópica (que têm propriedades físicas diferentes dependendo da direcção) com assimetria suficiente, bem como em algumas estruturas policristalinas.

Em qualquer sólido, as forças externas aplicadas produzem deformações e tensões mecânicas, e em substâncias com efeito piezoeléctrico a polarização das cargas, pelo que a polarização depende da direcção da força aplicada. Quando a direcção da acção é invertida, tanto a direcção de polarização como a polaridade das cargas mudam. A dependência da polarização da tensão mecânica é linear e é descrita pela expressão P=dt, onde t é a tensão mecânica e d é um coeficiente chamado módulo piezoeléctrico (piezo-módulo).

Um fenómeno semelhante ocorre com o efeito piezo inverso. Quando a direcção do campo eléctrico aplicado muda, a direcção da deformação muda. Aqui a dependência também é linear: r=dE, onde E é a força do campo eléctrico e r é a tensão. O coeficiente d é o mesmo para o efeito piezo frontal e inverso em todas as substâncias.

Estas equações são, de facto, apenas estimativas. As correlações reais são muito mais complicadas e são determinadas pela direcção das forças relativas aos eixos de cristal.

Substâncias com o efeito piezo

O efeito piezo foi descoberto pela primeira vez em cristais de cristal de rocha (quartzo). Actualmente este material é muito comum no fabrico de elementos piezoeléctricos, mas não são apenas os materiais naturais que são utilizados na produção.

Muitos elementos piezoeléctricos são baseados em materiais com a fórmula ABO₃fórmula, tal como BaTiO₃, PbTiO₃. Estes materiais têm uma estrutura policristalina (constituída por muitos cristais) e devem ser polarizados por um campo eléctrico externo para lhes dar a capacidade de exibir um efeito piezo.

Estão disponíveis tecnologias para produzir película piezoeléctrica (fluoreto de polivinilideno, etc.). Para lhes dar as propriedades necessárias, também precisam de ser polarizadas num campo eléctrico durante muito tempo. A vantagem de tais materiais é a sua espessura muito baixa.

Propriedades e características dos materiais com o efeito piezo

Como a polarização só tem lugar durante a deformação elástica, uma característica importante dos piezomateriais é a sua capacidade de mudar de forma sob a acção de forças externas. O valor desta capacidade é determinado pela conformidade elástica (ou rigidez elástica).

Os cristais com o efeito piezo são altamente elásticos - voltam à sua forma original quando a força (ou tensão externa) é removida.

Os cristais piezoeléctricos também têm uma frequência de ressonância mecânica intrínseca. Se o cristal for forçado a vibrar a esta frequência, a amplitude é particularmente grande.

 

Uma vez que não só cristais inteiros exibem o efeito piezoeléctrico mas também cristais que são cortados sob certas condições, é possível produzir peças piezoeléctricas com ressonância a diferentes frequências - dependendo das dimensões geométricas e da direcção de corte.

As propriedades vibracionais dos materiais piezoeléctricos são também caracterizadas pelo seu factor de qualidade mecânica. Isto indica por quantas vezes a amplitude de vibração aumenta na frequência de ressonância para uma força aplicada igual.

Existe uma clara dependência das propriedades piezoeléctricas da temperatura, que deve ser tida em conta na utilização de cristais. Esta dependência é caracterizada por coeficientes:

• o coeficiente de temperatura da frequência de ressonância indica quanto a ressonância desaparece quando o cristal é aquecido/arrefecido;
• O coeficiente de expansão de temperatura indica quanto as dimensões lineares da placa piezoeléctrica mudam com a temperatura.

A uma certa temperatura, o piezocristal perde as suas propriedades. Este limite chama-se a temperatura Curie. Este limite é individual para cada material. Para o quartzo, por exemplo, é de +573 °C.

Aplicação prática do efeito piezo

A aplicação mais conhecida das células piezoeléctricas é como elemento de ignição. O efeito piezo é usado em isqueiros de bolso ou ignitores de cozinha para fogões a gás. Quando o cristal é pressionado, é criada uma diferença potencial e aparece uma faísca na caixa de ar.

Isto não esgota a gama de aplicação das células piezoeléctricas. Cristais com o mesmo efeito podem ser utilizados como extensómetros, mas esta aplicação é limitada pela propriedade do efeito piezo para ser dinâmica - se a alteração parou, o sinal já não é gerado.

Os cristais Piezo podem ser usados como microfones - os sinais eléctricos são gerados quando as ondas acústicas são aplicadas. O efeito piezo inverso também permite (por vezes simultaneamente) que tais elementos sejam utilizados como emissores de som. Quando um sinal eléctrico é aplicado ao cristal, o elemento piezoeléctrico começará a gerar ondas acústicas.

Tais emissores são amplamente utilizados para gerar ondas ultra-sónicas, particularmente na tecnologia médica. Em em As propriedades de ressonância da placa também podem ser utilizadas. Pode ser utilizado como um filtro acústico que emite apenas as suas próprias ondas de frequência. Outra opção é utilizar um elemento piezoeléctrico num gerador de som (sirene, detector, etc.) como elemento de retenção de frequência e de emissão de som. Neste caso, o som será sempre gerado à frequência ressonante, e o volume máximo pode ser obtido com pouca entrada de energia.

As propriedades de ressonância são utilizadas para estabilizar as frequências dos osciladores que operam na gama de radiofrequências. As placas de quartzo actuam como circuitos oscilantes altamente estáveis e de alta qualidade em circuitos que retêm a frequência.

Até agora, existem projectos fantásticos para converter a energia da deformação elástica em energia eléctrica à escala industrial. Pode utilizar a deformação dos pavimentos pelo peso de peões ou carros, por exemplo, para iluminar troços de auto-estradas. A energia de deformação das asas do avião poderia ser utilizada para alimentar a rede de bordo de um avião. Tal utilização é limitada pela insuficiente eficiência das células piezoeléctricas, mas já foram construídas instalações protótipo, tendo-se revelado promissoras para melhorias adicionais.

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