Come funziona l'elemento piezo e cos'è l'effetto piezo

L'effetto piezoelettrico fu scoperto alla fine del XIX secolo dai fratelli francesi Curie. A quel tempo, era ancora troppo presto per parlare dell'applicazione pratica del fenomeno scoperto, ma oggi gli elementi piezoelettrici sono ampiamente utilizzati sia nella tecnologia che nella vita quotidiana.

Essenza dell'effetto piezo

Fisici famosi hanno scoperto che quando certi cristalli (cristallo di rocca, tormalina, ecc.) vengono deformati sulle loro sfaccettature nascono delle cariche elettriche. La differenza di potenziale era comunque piccola ma era chiaramente rilevabile dai dispositivi allora disponibili e collegando le aree con cariche polari opposte per mezzo di conduttori si poteva ricevere corrente elettrica. Il fenomeno è stato registrato solo nella dinamica, al momento della contrazione o dello stiramento. La deformazione statica non ha prodotto l'effetto piezo.

L'effetto opposto fu presto giustificato teoricamente e scoperto nella pratica - il cristallo si deformava quando veniva applicata una tensione. Si è scoperto che i due fenomeni sono correlati - se una sostanza mostra un effetto piezo diretto, mostra anche un effetto inverso, e viceversa.

Il fenomeno si osserva in sostanze con un reticolo cristallino anisotropo (che hanno proprietà fisiche diverse a seconda della direzione) con sufficiente asimmetria, così come alcune strutture policristalline.

In qualsiasi solido, le forze esterne applicate producono deformazioni e sollecitazioni meccaniche, e nelle sostanze con effetto piezo la polarizzazione delle cariche, per cui la polarizzazione dipende dalla direzione della forza applicata. Quando la direzione dell'azione è invertita, sia la direzione della polarizzazione che la polarità delle cariche cambiano. La dipendenza della polarizzazione dalla sollecitazione meccanica è lineare ed è descritta dall'espressione P=dt, dove t è la sollecitazione meccanica e d è un coefficiente chiamato modulo piezoelettrico (piezomodulo).

Un fenomeno simile si verifica con l'effetto piezo inverso. Quando la direzione del campo elettrico applicato cambia, la direzione della deformazione cambia. 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 l'effetto piezo in avanti e inverso in tutte le sostanze.

Queste equazioni sono infatti solo stime. Le correlazioni reali sono molto più complicate e sono determinate dalla direzione delle forze rispetto agli assi del cristallo.

Sostanze con effetto piezo

L'effetto piezo è stato scoperto per la prima volta nei cristalli di cristallo di rocca (quarzo). Oggi questo materiale è molto comune nella fabbricazione di elementi piezoelettrici, ma non solo i materiali naturali sono utilizzati nella produzione.

Molti elementi piezoelettrici sono basati su materiali con la formula ABO₃formula, come BaTiO₃, PbTiO₃. Questi materiali hanno una struttura policristallina (composta da molti cristalli) e devono essere polarizzati da un campo elettrico esterno per dare loro la capacità di esibire l'effetto piezo.

Sono disponibili tecnologie per produrre film piezoelettrici (fluoruro di polivinilidene, ecc.). Per dare loro le proprietà necessarie, devono anche essere polarizzati in un campo elettrico per molto tempo. Il vantaggio di tali materiali è il loro spessore molto basso.

Proprietà e caratteristiche dei materiali con effetto piezo

Poiché la polarizzazione avviene solo durante la deformazione elastica, una caratteristica importante dei piezomateriali è la loro 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 l'effetto piezo sono altamente elastici - ritornano alla loro forma originale quando la forza (o lo stress esterno) viene rimosso.

I cristalli piezo hanno anche una frequenza di risonanza meccanica intrinseca. Se il cristallo è costretto a vibrare a questa frequenza, l'ampiezza è particolarmente grande.

 

Poiché non solo i cristalli interi mostrano l'effetto piezoelettrico, ma anche i cristalli che sono tagliati in determinate condizioni, è possibile produrre pezzi piezoelettrici con risonanza a diverse frequenze - a seconda delle dimensioni geometriche e della direzione del taglio.

Le proprietà vibrazionali dei materiali piezoelettrici sono caratterizzate anche dal loro fattore di qualità meccanica. Questo indica di quante volte l'ampiezza della vibrazione aumenta alla frequenza di risonanza per una forza applicata uguale.

C'è una chiara dipendenza delle proprietà piezoelettriche dalla temperatura, che deve essere presa in considerazione quando si usano i cristalli. Questa dipendenza è caratterizzata da coefficienti:

• il coefficiente di temperatura della frequenza di risonanza indica quanto la risonanza va via quando il cristallo viene riscaldato/raffreddato;
• Il coefficiente di espansione della temperatura indica quanto le dimensioni lineari della piastra piezoelettrica cambiano 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. Per il quarzo, per esempio, è +573 °C.

Applicazione pratica dell'effetto piezo

L'applicazione più nota delle celle piezo è come elemento di accensione. L'effetto piezo è usato negli accendini tascabili o negli accenditori da cucina per i fornelli a gas. Quando il cristallo viene premuto, si crea una differenza di potenziale e una scintilla appare nel traferro.

Questo non esaurisce il campo di applicazione delle cellule piezoelettriche. I cristalli con lo stesso effetto possono essere usati come estensimetri, ma questa applicazione è limitata dalla proprietà dell'effetto piezo di essere dinamico - se il cambiamento si è fermato, il segnale non viene più generato.

I piezocristalli possono essere usati come un microfono - si generano segnali elettrici quando si applicano onde acustiche. L'effetto piezo inverso permette anche (a volte simultaneamente) di utilizzare tali elementi come emettitori di suono. Quando un segnale elettrico viene applicato al cristallo, l'elemento piezo inizierà a generare onde acustiche.

Tali emettitori sono ampiamente utilizzati per generare onde ultrasoniche, in particolare nella tecnologia medica. Su su Le proprietà di risonanza della piastra possono anche essere utilizzate. Può essere usato come un filtro acustico, emettendo solo onde della sua stessa frequenza. Un'altra opzione è quella di utilizzare un elemento piezo in un generatore di suoni (sirena, rivelatore, ecc.) sia come elemento che mantiene la frequenza che come elemento che emette il suono. In questo caso il suono sarà sempre generato alla frequenza di risonanza, e il massimo volume può essere ottenuto con poco apporto di energia.

Le proprietà di risonanza sono utilizzate per stabilizzare le frequenze degli oscillatori che operano nella gamma delle radiofrequenze. Le piastre di quarzo agiscono come circuiti oscillanti altamente stabili e di alta qualità nei circuiti di mantenimento della frequenza.

Finora, ci sono fantastici progetti per convertire l'energia della deformazione elastica in energia elettrica su scala industriale. È possibile utilizzare la deformazione dei marciapiedi dal peso dei pedoni o delle auto, per esempio, per illuminare sezioni di autostrade. L'energia di deformazione delle ali degli aerei potrebbe essere usata per alimentare la rete di bordo di un aereo. Tale uso è limitato dall'insufficiente efficienza delle celle piezoelettriche, ma sono già stati costruiti prototipi di installazioni che hanno mostrato la promessa di ulteriori miglioramenti.

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