Osso, legno e quarzo sono tutti materiali piezoelettrici. Ma cos’è la piezoelettricità e come funziona? Qui spieghiamo da dove proviene questa straordinaria proprietà.
Accoppiamento tra proprietà elettriche e meccaniche
La piezoelettricità è un fenomeno che significa che esiste un accoppiamento tra lo stato elettrico e quello meccanico del materiale. Quando un pezzo di materiale piezoelettrico è deformato meccanicamente, ad esempio compresso, una corrente fluirà e carica le sue facce., e viceversa, sarà deformato quando viene esercitato su un campo elettrico.
Il fenomeno fu scoperto nel 1880 da Paul-Jacques Curie e da suo fratello minore, Pierre, marito della famosa Marie Curie. Oltre ai materiali già menzionati, ci sono molti altri materiali che presentano proprietà piezoelettriche come saccarosio, seta, sale di Rochelle, PVDF e molte ceramiche. Ma perché non tutti i materiali esibiscono questa proprietà? La ragione di ciò è che a affinché la piezoelettricità appaia, il materiale deve essere cristallino ma non avere un centro di simmetria. Vedremo presto.,
L’effetto piezoelettrico ha origine nel riarrangiamento delle cariche nette
La manifestazione della corrente indotta dalla pressione ha origine nel riarrangiamento delle cariche all’interno del materiale. Nello stato di equilibrio, quando il materiale viene scaricato, la disposizione delle cariche all’interno del reticolo del materiale è tale che la cella unitaria sia scarica, Fig 1 A. Tuttavia, quando il materiale è deformato meccanicamente, ci sarà una ridistribuzione della carica all’interno della cella unitaria., Questa ridistribuzione indurrà cariche nette sulle facce della cella unitaria e darà origine a un momento di dipolo netto, Fig 1B e 1C.
Figura 1. Un’illustrazione schematica di come funziona la piezoelettricità. A) in equilibrio, le cariche della cella unitaria sono distribuite in modo tale che non vi sia alcun momento di dipolo netto. B) Una volta compresso, un momento di dipolo netto sorge nella direzione verticale. C) quando allungato, un momento di dipolo netto sorge nella direzione orizzontale.,
La somma del contributo di carica netto da tutte le celle dell’unità sarà una polarizzazione elettrica del pezzo di materiale. Ciò significa che la forza meccanica applicata ha indotto una tensione sul materiale. Perché la polarizzazione avvenga, tuttavia, non deve esserci un centro di simmetria, Fig 2. Come già accennato, questo requisito è soddisfatto solo da alcuni materiali.
Figura 2. Illustrazione schematica della distribuzione della carica nella cella unitaria di un materiale con un centro di simmetria., Sia nello stato di equilibrio (A), sia quando deformato meccanicamente (B, C), la distribuzione della carica è tale che un momento di dipolo netto non sorge mai.
Il fenomeno opposto, cioè in cui il materiale cambia forma quando una tensione viene applicata sulle sue facce, è chiamato effetto piezoelettrico inverso, e questo non è stato scoperto fino a un anno dopo, nel 1881.
La piezoelettricità è ampiamente utilizzata e nuove applicazioni attendono dietro l’angolo
Poiché l’effetto piezoelettrico è stato scoperto più di un secolo fa, si è diffuso in varie applicazioni ed è ora ampiamente utilizzato., Le aree includono il controllo della frequenza, ad esempio gli orologi, gli altoparlanti per generare il suono e le microbilance, come QCM e QCM-D, per monitorare i cambiamenti di massa. Ma non finisce qui. Ora piezoelettricità è un contributore candidato al futuro approvvigionamento energetico sostenibile. Luce, vento e termica sono stati a lungo fonti ovvie e, grazie all’effetto piezoelettrico, le vibrazioni sono state aggiunte alla lista. Un modo per utilizzare le fonti vibrazionali per la produzione di energia è, ad esempio, quello di raccogliere energia cinetica umana tramite piastrelle per strade o marciapiedi. cioè per convertire l’energia dei passi in elettricità., L’energia generata in questo modo potrebbe essere utilizzata per eseguire, ad esempio, lampioni o altre apparecchiature a bassa tensione nelle città.
Osservazioni conclusive
La piezoelettricità è una proprietà di alcuni materiali che induce una corrente elettrica quando sollecitata meccanicamente. Viene utilizzato, ad esempio, nel controllo della frequenza e nelle applicazioni di generazione corrente.
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