Como funciona a piezoeletricidade?

Temos materiais específicos adequados para aplicações de piezoeletricidade, mas como exatamente funciona o processo?Com o Efeito Piezoelétrico.A característica mais exclusiva desse efeito é que ele funciona de duas maneiras.Você pode aplicar energia mecânica ou energia elétrica ao mesmo material piezoelétrico e obter um resultado oposto.

A aplicação de energia mecânica a um cristal é chamada de efeito piezoelétrico direto e funciona assim:

1. Um cristal piezelétrico é colocado entre duas placas de metal.Neste ponto o material está em perfeito equilíbrio e não conduz corrente elétrica.

2. A pressão mecânica é então aplicada ao material pelas placas de metal, o que força as cargas elétricas dentro do cristal a desequilibrarem.Cargas negativas e positivas em excesso aparecem em lados opostos da face do cristal.

3. A placa de metal coleta essas cargas, que podem ser usadas para produzir uma tensão e enviar uma corrente elétrica por um circuito.

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É isso, uma simples aplicação de pressão mecânica, o aperto de um cristal e de repente você tem uma corrente elétrica.Você também pode fazer o oposto, aplicando um sinal elétrico a um material como um efeito piezoelétrico inverso.Funciona assim:

1. Na mesma situação do exemplo acima, temos um cristal piezoelétrico colocado entre duas placas metálicas.A estrutura do cristal está em perfeito equilíbrio.

2. A energia elétrica é então aplicada ao cristal, que encolhe e expande a estrutura do cristal.

3. Conforme a estrutura do cristal se expande e contrai, ele converte a energia elétrica recebida e libera a energia mecânica na forma de onda sonora.

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O efeito piezoelétrico inverso é usado em uma variedade de aplicações.Pegue um alto-falante, por exemplo, que aplica uma tensão a uma cerâmica piezoelétrica, fazendo com que o material vibre o ar como ondas sonoras.

A descoberta da piezoeletricidade

A piezoeletricidade foi descoberta pela primeira vez em 1880 por dois irmãos e cientistas franceses, Jacques e Pierre Curie.Ao experimentar uma variedade de cristais, eles descobriram que a aplicação de pressão mecânica a cristais específicos, como o quartzo, liberava uma carga elétrica.Eles chamaram isso de efeito piezoelétrico.
Os próximos 30 anos viram a piezoeletricidade reservada em grande parte para experimentos de laboratório e refinamento adicional.Não foi até a Primeira Guerra Mundial quando a piezoeletricidade foi usada para aplicações práticas em sonar.O sonar funciona conectando uma voltagem a um transmissor piezoelétrico.Este é o efeito piezoelétrico inverso em ação, que converte energia elétrica em ondas sonoras mecânicas.

As ondas sonoras viajam pela água até atingirem um objeto.Eles então retornam para um receptor de origem.Este receptor usa o efeito piezoelétrico direto para converter as ondas sonoras em uma tensão elétrica, que pode então ser processada por um dispositivo de processamento de sinal.Usando o tempo entre quando o sinal saiu e quando voltou, a distância de um objeto pode ser facilmente calculada debaixo d'água.

Com o sucesso do sonar, a piezoeletricidade ganhou os olhos ansiosos dos militares.A Segunda Guerra Mundial avançou ainda mais a tecnologia, à medida que pesquisadores dos Estados Unidos, Rússia e Japão trabalhavam para criar novos materiais piezoelétricos feitos pelo homem, chamados ferroelétricos.Esta pesquisa levou a dois materiais sintéticos que são usados ​​juntamente com cristal de quartzo natural, titanato de bário e titanato de zirconato de chumbo.

Piezoeletricidade hoje

No mundo atual da eletrônica, a piezoeletricidade é usada em todos os lugares.Perguntar ao Google como chegar a um novo restaurante usa piezoeletricidade no microfone.Existe até um metrô em Tóquio que usa o poder dos passos humanos para alimentar estruturas piezoelétricas no solo.Você encontrará a piezoeletricidade sendo usada nestas aplicações eletrônicas:

Atuadores

Os atuadores usam piezoeletricidade para alimentar dispositivos como máquinas de tricô e braille, câmeras de vídeo e smartphones.Neste sistema, uma placa de metal e um dispositivo atuador unem um material piezoelétrico.A tensão é então aplicada ao material piezoelétrico, que o expande e contrai.Este movimento faz com que o atuador também se mova.

Alto-falantes e campainhas

Os alto-falantes usam piezoeletricidade para alimentar dispositivos como despertadores e outros pequenos dispositivos mecânicos que exigem recursos de áudio de alta qualidade.Esses sistemas aproveitam o efeito piezoelétrico inverso, convertendo um sinal de tensão de áudio em energia mecânica como ondas sonoras.

motoristas

Os drivers convertem uma bateria de baixa voltagem em uma voltagem mais alta que pode ser usada para acionar um dispositivo piezo.Este processo de amplificação começa com um oscilador que emite ondas senoidais menores.Essas ondas senoidais são então amplificadas com um amplificador piezo.

Sensores

Os sensores são usados ​​em uma variedade de aplicações, como microfones, guitarras amplificadas e equipamentos de imagens médicas.Um microfone piezoelétrico é usado nesses dispositivos para detectar variações de pressão nas ondas sonoras, que podem ser convertidas em um sinal elétrico para processamento.

Poder

Uma das aplicações mais simples para a piezoeletricidade é o isqueiro elétrico.Pressionar o botão do isqueiro libera um martelo acionado por mola em um cristal piezoelétrico.Isso produz uma corrente elétrica que atravessa um centelhador para aquecer e inflamar o gás.Este mesmo sistema de energia piezoelétrico é usado em queimadores a gás maiores e fornos.

Motores

Os cristais piezoelétricos são perfeitos para aplicações que exigem precisão, como o movimento de um motor.Nesses dispositivos, o material piezoelétrico recebe um sinal elétrico, que é então convertido em energia mecânica para forçar o movimento de uma placa de cerâmica.

Piezoeletricidade e o futuro

O que o futuro reserva para a piezoeletricidade?As possibilidades são muitas.Uma ideia popular que os inventores estão lançando é usar a piezoeletricidade para a coleta de energia.Imagine ter dispositivos piezoelétricos em seu smartphone que podem ser ativados a partir do simples movimento do seu corpo para mantê-los carregados.

Pensando um pouco mais alto, você também pode incorporar um sistema piezoelétrico sob o pavimento da rodovia que pode ser ativado pelas rodas dos carros em movimento.Essa energia poderia então ser usada em semáforos e outros dispositivos próximos.Junte isso a uma estrada cheia de carros elétricos e você se encontrará em uma situação líquida de energia positiva.