O que são materiais piezoelétricos?

Se você já usou um isqueiro, experimentou um ultrassom médico em um consultório médico ou ligou um queimador de gás, você usou a piezoeletricidade.

​Materiais piezoelétricos são materiais que têm a capacidade de gerar carga elétrica interna a partir de tensões mecânicas aplicadas.O termopiezoé grego para "empurrar".

Várias substâncias que ocorrem naturalmente na natureza demonstram o efeito piezoelétrico. Esses incluem:

• Osso
• Cristais
• Certas cerâmicas
• DNA
• Esmalte
• Seda
• Dentina e muito mais.

Os materiais que exibem o efeito piezoelétrico também demonstram o efeito piezoelétrico inverso (também chamado de efeito piezoelétrico reverso ou inverso). Oefeito piezoelétrico inversoé a geração interna de deformação mecânica em resposta a um campo elétrico aplicado.

Os cristais foram o primeiro material usado nas primeiras experiências com piezoeletricidade. Os irmãos Curie, Pierre e Jacques, provaram o efeito piezoelétrico direto pela primeira vez em 1880. Os irmãos expandiram seu conhecimento prático de estruturas cristalinas e materiais piroelétricos (materiais que geram uma carga elétrica em resposta a uma mudança de temperatura).

Eles mediram as cargas superficiais dos seguintes cristais específicos:

• Cana de açúcar
  
• Turmalina
• Quartzo
• Topázio
• Sal de Rochelle (tartarato de sódio e potássio tetra-hidratado)

Quartzo e sal de Rochelle demonstraram os maiores efeitos piezoelétricos.

No entanto, os irmãos Curie não previram o efeito piezoelétrico inverso. O efeito piezoelétrico inverso foi deduzido matematicamente por Gabriel Lippmann em 1881. Os Curie então confirmaram o efeito e forneceram provas quantitativas da reversibilidade das deformações elétricas, elásticas e mecânicas nos cristais piezoelétricos.

Em 1910, as 20 classes de cristais naturais em que ocorre a piezoeletricidade foram completamente definidas e publicadas no artigo de Woldemar VoigtLehrbuch Der Kristallphysik. Mas permaneceu um nicho obscuro e altamente técnico da física, sem quaisquer aplicações tecnológicas ou comerciais visíveis.

​Primeira Guerra Mundial:A primeira aplicação tecnológica de um material piezoelétrico foi o detector submarino ultrassônico criado durante a Primeira Guerra Mundial A placa do detector era feita de um transdutor (um dispositivo que se transforma de um tipo de energia em outro) e um tipo de detector chamado hidrofone. O transdutor era feito de finos cristais de quartzo colados entre duas placas de aço.

O sucesso retumbante do detector submarino ultrassônico durante a guerra estimulou o intenso desenvolvimento tecnológico de dispositivos piezoelétricos. Após a Primeira Guerra Mundial, as cerâmicas piezoelétricas foram usadas nos cartuchos dos fonógrafos.

​Segunda Guerra Mundial:As aplicações de materiais piezoelétricos avançaram significativamente durante a Segunda Guerra Mundial devido à pesquisa independente do Japão, da URSS e dos Estados Unidos.

Em particular, os avanços na compreensão da relação entre a estrutura cristalina e a atividade eletromecânica, juntamente com outros desenvolvimentos na pesquisa, mudou a abordagem para a tecnologia piezoelétrica tecnologia inteiramente. Pela primeira vez, os engenheiros foram capazes de manipular materiais piezoelétricos para uma aplicação de dispositivo específica, em vez de observar as propriedades dos materiais e, em seguida, procurar aplicações adequadas dos propriedades.

Este desenvolvimento criou muitas aplicações relacionadas com a guerra de materiais piezoelétricos, como microfones super-sensíveis, dispositivos de sonar poderosos, sonobuoys (pequenos bóias com capacidade de escuta de hidrofone e transmissão de rádio para monitorar o movimento de navios oceânicos) e sistemas de ignição piezoelétrica para cilindro único ignições.

Como mencionado acima, a piezoeletricidade é a propriedade de uma substância de gerar eletricidade se uma tensão como compressão, flexão ou torção for aplicada a ela.

Quando colocado sob tensão, o cristal piezoelétrico produz uma polarização,P, proporcional ao estresse que o produziu.

Oequação principal da piezoeletricidade é​

Ondedé o coeficiente piezoelétrico, um fator único para cada tipo de material piezoelétrico. O coeficiente piezoelétrico para quartzo é 3 × 10^-12. O coeficiente piezoelétrico para titanato de zirconato de chumbo (PZT) é 3 × 10^-10.

Pequenos deslocamentos de íons na rede cristalina criam a polarização observada na piezoeletricidade. Isso só ocorre em cristais que não possuem centro de simetria.

A seguir está uma lista não abrangente de cristais piezoelétricos com algumas breves descrições de seu uso. Discutiremos algumas aplicações específicas dos materiais piezoelétricos usados ​​com mais frequência posteriormente.

​Cristais de ocorrência natural:​

• Quartzo. Um cristal estável usado em cristais de relógio e cristais de referência de frequência para transmissores de rádio.
• Sacarose (açúcar de mesa)
• Sal de Rochelle. Produz uma grande tensão com compressão; usado nos primeiros microfones de cristal.
• Topázio
• Turmalina
• Berlinita (AlPO₄). Um raro mineral de fosfato estruturalmente idêntico ao quartzo.

​Cristais artificiais:​

• Ortofosfato de gálio (GaPO₄), um análogo de quartzo.
• Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄), um análogo de quartzo.

​Cerâmica piezoelétrica:​

• Titanato de bário (BaTiO₃). A primeira cerâmica piezoelétrica descoberta.
• Titanato de chumbo (PbTiO₃)
• Titanato de zirconato de chumbo (PZT). Atualmente a cerâmica piezoelétrica mais utilizada.
• Niobato de potássio (KNbO₃)
• Niobato de lítio (LiNbO₃)
• Tantalato de lítio (LiTaO₃)
• Tungstato de sódio (Na₂OS₄)

​Piezocerâmica sem chumbo:​

Os seguintes materiais foram desenvolvidos em resposta às preocupações sobre a exposição ambiental prejudicial ao chumbo.

• Niobato de sódio e potássio (NaKNb). Este material tem propriedades semelhantes ao PZT.
• Ferrita de bismuto (BiFeO₃)
• Niobato de sódio (NaNbO₃)

​Materiais piezoelétricos biológicos:​

• Tendão
• Madeira
• Seda
• Esmalte
• Dentina
• Colágeno

​Polímeros piezoelétricos:Piezopolímeros são leves e pequenos em tamanho, portanto, crescendo em popularidade para aplicação tecnológica.

O fluoreto de polivinilideno (PVDF) demonstra piezoeletricidade que é várias vezes maior do que o quartzo. É frequentemente usado na área médica, como em suturas médicas e têxteis médicos.

Os materiais piezoelétricos são usados ​​em várias indústrias, incluindo:

• Manufatura
• Dispositivos médicos
• Telecomunicações
• Automotivo
• Tecnologia da informação (TI)

​Fontes de alimentação de alta tensão:​

• Isqueiros elétricos. Quando você pressiona o botão de um isqueiro, o botão faz com que um pequeno martelo com mola acerte um cristal piezoelétrico, produzindo uma corrente de alta voltagem que flui através de uma lacuna para aquecer e inflamar o gás.
• Churrasqueiras a gás ou fogões e queimadores a gás. Estes funcionam de forma semelhante ao isqueiro, mas em uma escala maior.
• Transformador piezoelétrico. Isso é usado como um multiplicador de voltagem AC em lâmpadas fluorescentes de cátodo frio.

Os transdutores de ultrassom são usados ​​em imagens médicas de rotina. UMAtransdutoré um dispositivo piezoelétrico que atua como um sensor e um atuador.Transdutores de ultrassomconter um elemento piezoelétrico que converte um sinal elétrico em vibração mecânica (transmitir modo ou componente do atuador) e vibração mecânica em sinal elétrico (modo de recepção ou sensor componente).

O elemento piezoelétrico é geralmente cortado em 1/2 do comprimento de onda desejado do transdutor de ultrassom.

Outros tipos de sensores piezoelétricos incluem:

• Microfones piezoelétricos.
• Captadores piezoelétricos para guitarras acústico-elétricas.
• Ondas do sonar. As ondas sonoras são geradas e detectadas pelo elemento piezoelétrico.
• Pads de bateria eletrônicos. Os elementos detectam o impacto das baquetas dos bateristas nos pads.
• Aceleromiografia médica. Isso é usado quando uma pessoa está sob anestesia e recebeu relaxantes musculares. O elemento piezoelétrico no aceleromiógrafo detecta a força produzida em um músculo após a estimulação nervosa.

Uma das grandes utilidades dos atuadores piezoelétricos é que as altas tensões do campo elétrico correspondem a mudanças minúsculas de micrômetros na largura do cristal piezoelétrico. Essas microdistâncias tornam os cristais piezoelétricos úteis como atuadores quando o posicionamento minúsculo e preciso de objetos é necessário, como nos seguintes dispositivos:

• Altifalantes
• Motores piezoelétricos
• Eletrônica a laser
• Impressoras jato de tinta (cristais conduzem a ejeção de tinta da cabeça de impressão para o papel)
• Motores a diesel
• Obturadores de raio x

Materiais inteligentes são uma ampla classe de materiais cujas propriedades podem ser alteradas em um método controlado por um estímulo externo, como pH, temperatura, produtos químicos, um campo magnético ou elétrico aplicado, ou estresse.Os materiais inteligentes também são chamados de materiais funcionais inteligentes.​

Materiais piezoelétricos se encaixam nesta definição porque uma voltagem aplicada produz uma tensão em um material piezoelétrico e, inversamente, a aplicação de um estresse externo também produz eletricidade em o material.

Os materiais inteligentes adicionais incluem ligas com memória de forma, materiais halocrômicos, materiais magnetocalóricos, polímeros sensíveis à temperatura, materiais fotovoltaicos e muitos, muitos mais.