Cosa sono i materiali piezoelettrici?

Se hai mai usato un accendisigari, hai sperimentato un'ecografia medica in uno studio medico o hai acceso un bruciatore a gas, hai usato la piezoelettricità.

​I materiali piezoelettrici sono materiali che hanno la capacità di generare carica elettrica interna dallo stress meccanico applicato.Il terminepiezoin greco significa "spinta".

Diverse sostanze naturali in natura dimostrano l'effetto piezoelettrico. Questi includono:

• osso
• Cristalli
• Certe ceramiche
• DNA
• Smalto
• Seta
• Dentina e molti altri.

I materiali che mostrano l'effetto piezoelettrico dimostrano anche l'effetto piezoelettrico inverso (chiamato anche effetto piezoelettrico inverso o inverso). Ileffetto piezoelettrico inversoè la generazione interna di deformazione meccanica in risposta a un campo elettrico applicato.

I cristalli sono stati il ​​primo materiale utilizzato nelle prime sperimentazioni con la piezoelettricità. I fratelli Curie, Pierre e Jacques, provarono per la prima volta l'effetto piezoelettrico diretto nel 1880. I fratelli hanno ampliato la loro conoscenza pratica delle strutture cristalline e dei materiali piroelettrici (materiali che generano una carica elettrica in risposta a un cambiamento di temperatura).

Hanno misurato le cariche superficiali dei seguenti cristalli specifici:

• Zucchero di canna
  
• Tormalina
• Quarzo
• Topazio
• Sale di Rochelle (sodio potassio tartrato tetraidrato)

Il quarzo e il sale di Rochelle hanno dimostrato i più alti effetti piezoelettrici.

Tuttavia, i fratelli Curie non avevano previsto l'effetto piezoelettrico inverso. L'effetto piezoelettrico inverso fu dedotto matematicamente da Gabriel Lippmann nel 1881. I Curie hanno poi confermato l'effetto e fornito prove quantitative della reversibilità delle deformazioni elettriche, elastiche e meccaniche nei cristalli piezoelettrici.

Nel 1910, le 20 classi di cristalli naturali in cui si verifica la piezoelettricità furono completamente definite e pubblicate nel libro di Woldemar Voigt.Lehrbuch Der Kristallphysik. Ma rimase un'area di nicchia oscura e altamente tecnica della fisica senza alcuna applicazione tecnologica o commerciale visibile.

​Prima guerra mondiale:La prima applicazione tecnologica di un materiale piezoelettrico fu il rilevatore di sottomarini ad ultrasuoni creato durante la prima guerra mondiale. La piastra del rivelatore era costituita da un trasduttore (un dispositivo che trasforma da un tipo di energia in un altro) e un tipo di rivelatore chiamato idrofono. Il trasduttore era costituito da sottili cristalli di quarzo incollati tra due piastre di acciaio.

Il clamoroso successo del rivelatore sottomarino ad ultrasuoni durante la guerra stimolò un intenso sviluppo tecnologico dei dispositivi piezoelettrici. Dopo la prima guerra mondiale, le ceramiche piezoelettriche furono utilizzate nelle cartucce dei fonografi.

​Seconda guerra mondiale:Le applicazioni dei materiali piezoelettrici avanzarono in modo significativo durante la seconda guerra mondiale grazie a ricerche indipendenti di Giappone, URSS e Stati Uniti.

In particolare, i progressi nella comprensione della relazione tra struttura cristallina e l'attività elettromeccanica insieme ad altri sviluppi nella ricerca hanno spostato l'approccio verso il piezoelettrico tecnologia interamente. Per la prima volta, gli ingegneri sono stati in grado di manipolare materiali piezoelettrici per un'applicazione specifica del dispositivo, piuttosto che osservare le proprietà dei materiali e quindi cercare applicazioni adatte dell'osservato proprietà.

Questo sviluppo ha creato molte applicazioni legate alla guerra di materiali piezoelettrici come microfoni supersensibili, potenti dispositivi sonar, sonoboe (piccole boe con capacità di ascolto idrofonico e trasmissione radio per il monitoraggio del movimento delle navi oceaniche) e sistemi di accensione piezoelettrici per monocilindrico accensioni.

Come accennato in precedenza, la piezoelettricità è la proprietà di una sostanza di generare elettricità se le viene applicato uno stress come schiacciamento, flessione o torsione.

Quando posto sotto stress, il cristallo piezoelettrico produce una polarizzazione,P, proporzionale allo stress che lo ha prodotto.

Ill'equazione principale della piezoelettricità è​

dovedè il coefficiente piezoelettrico, un fattore unico per ogni tipo di materiale piezoelettrico. Il coefficiente piezoelettrico per il quarzo è 3 × 10^-12. Il coefficiente piezoelettrico per il titanato di zirconato di piombo (PZT) è 3 × 10^-10.

Piccoli spostamenti di ioni nel reticolo cristallino creano la polarizzazione osservata nella piezoelettricità. Ciò si verifica solo nei cristalli che non hanno un centro di simmetria.

Quello che segue è un elenco non completo di cristalli piezoelettrici con alcune brevi descrizioni del loro uso. Discuteremo in seguito alcune applicazioni specifiche dei materiali piezoelettrici più utilizzati.

​Cristalli naturali:​

• Quarzo. Un cristallo stabile utilizzato nei cristalli per orologi e nei cristalli di riferimento di frequenza per trasmettitori radio.
• Saccarosio (zucchero da tavola)
• Sale di Rochelle. Produce una grande tensione con compressione; utilizzato nei primi microfoni a cristalli.
• Topazio
• Tormalina
• Berlinite (AlPO₄). Un raro minerale di fosfato strutturalmente identico al quarzo.

​Cristalli artificiali:​

• Ortofosfato di gallio (GaPO₄), un analogo al quarzo.
• Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄), un analogo al quarzo.

​Ceramiche piezoelettriche:​

• Titanato di bario (BaTiO₃). Scoperta la prima ceramica piezoelettrica.
• Titanato di piombo (PbTiO₃)
• Titanato di zirconato di piombo (PZT). Attualmente la ceramica piezoelettrica più comunemente usata.
• niobato di potassio (KNbO₃)
• Niobato di litio (LiNbO₃)
• Tantalato di litio (LiTaO₃)
• Sodio tungstato (Na₂WO₄)

​Piezoceramiche senza piombo:​

I seguenti materiali sono stati sviluppati in risposta alle preoccupazioni sull'esposizione ambientale dannosa al piombo.

• Niobato di sodio e potassio (NaKNb). Questo materiale ha proprietà simili al PZT.
• Ferrite di bismuto (BiFeO₃)
• Niobato di sodio (NaNbO₃)

​Materiali piezoelettrici biologici:​

• Tendine
• Legna
• Seta
• Smalto
• dentina
• collagene

​Polimeri piezoelettrici:I piezopolimeri sono leggeri e di piccole dimensioni, crescendo così in popolarità per l'applicazione tecnologica.

Il fluoruro di polivinilidene (PVDF) dimostra una piezoelettricità diverse volte più grande del quarzo. Viene spesso utilizzato in campo medico come nelle suture mediche e nei tessuti medici.

I materiali piezoelettrici sono utilizzati in molteplici settori, tra cui:

• Produzione
• Dispositivi medici
• Telecomunicazioni
• Settore automobilistico
• Tecnologia dell'informazione (IT)

​Fonti di alimentazione ad alta tensione:​

• Accendisigari elettrici. Quando si preme il pulsante su un accendino, il pulsante fa sì che un piccolo martello a molla colpisca un cristallo piezoelettrico, producendo una corrente ad alta tensione che scorre attraverso uno spazio per riscaldare e accendere il gas.
• Griglie o fornelli a gas e fornelli a gas. Funzionano in modo simile all'accendino, ma su scala più ampia.
• Trasformatore piezoelettrico. Viene utilizzato come moltiplicatore di tensione CA nelle lampade fluorescenti a catodo freddo.

I trasduttori a ultrasuoni sono utilizzati nell'imaging medico di routine. UNtrasduttoreè un dispositivo piezoelettrico che funge sia da sensore che da attuatore.Trasduttori ad ultrasuonicontengono un elemento piezoelettrico che converte un segnale elettrico in vibrazione meccanica (trasmissione modalità o componente attuatore) e vibrazioni meccaniche in segnale elettrico (modalità ricezione o sensore componente).

L'elemento piezoelettrico viene solitamente tagliato a 1/2 della lunghezza d'onda desiderata del trasduttore a ultrasuoni.

Altri tipi di sensori piezoelettrici includono:

• Microfoni piezoelettrici.
• Pickup piezoelettrici per chitarre acustiche elettriche.
• Onde sonar. Le onde sonore sono sia generate che rilevate dall'elemento piezoelettrico.
• Drum pad elettronici. Gli elementi rilevano l'impatto delle bacchette dei batteristi sui pad.
• Acceleromiografia medica. Questo viene utilizzato quando una persona è sotto anestesia e ha ricevuto miorilassanti. L'elemento piezoelettrico nell'acceleromiografo rileva la forza prodotta in un muscolo dopo la stimolazione nervosa.

Una delle grandi utilità degli attuatori piezoelettrici è che le alte tensioni del campo elettrico corrispondono a piccoli cambiamenti micrometrici nella larghezza del cristallo piezoelettrico. Queste micro-distanze rendono i cristalli piezoelettrici utili come attuatori quando è necessario posizionare piccoli e precisi oggetti, come nei seguenti dispositivi:

• Altoparlanti
• Motori piezoelettrici
• Elettronica laser
• Stampanti a getto d'inchiostro (i cristalli guidano l'espulsione dell'inchiostro dalla testina di stampa alla carta)
• Motori diesel
• Otturatori a raggi X

I materiali intelligenti sono un'ampia classe di materiali le cui proprietà possono essere modificate in un metodo controllato da uno stimolo esterno come pH, temperatura, sostanze chimiche, un campo magnetico o elettrico applicato, o fatica.I materiali intelligenti sono anche chiamati materiali funzionali intelligenti.​

I materiali piezoelettrici si adattano a questa definizione perché una tensione applicata produce uno stress in a materiale piezoelettrico, e viceversa, l'applicazione di una sollecitazione esterna produce anche elettricità in il materiale.

Ulteriori materiali intelligenti includono leghe a memoria di forma, materiali alocromici, materiali magnetocalorici, polimeri termosensibili, materiali fotovoltaici e molti, molti altri.