Piezoelettricità
La piezoelettricità è una carica elettrica generata applicando pressione a determinati cristalli, come il quarzo o i sali di Rochelle, o a determinate ceramiche, come il titanato di bario. Il fenomeno noto come effetto piezoelettrico è la capacità di alcuni materiali di generare una carica elettrica in risposta a uno stress meccanico applicato. In tali materiali, gli elettroni possono essere spostati dalla loro orbita nella direzione della forza applicata, lasciando un lato del materiale e accumulandosi sull’altro, creando cariche positive e negative sui lati opposti.
Generazione di Tensione
Un esempio classico è un cubo di quarzo di 1 cm3 al quale, applicando una forza corretta di 2 kN, può produrre una tensione di 12500 V. Quando la pressione viene rilasciata, gli elettroni ritornano nelle loro orbite. Alcuni materiali reagiscono alla pressione di piegamento, mentre altri rispondono alla pressione di torsione. Questa generazione di tensione è nota come effetto piezoelettrico.
Funzioni Principali
I materiali piezoelettrici hanno due funzioni principali:
- Dallo sforzo all’elettricità: La prima funzione è l’effetto piezoelettrico diretto, ovvero la trasformazione della deformazione meccanica in carica elettrica. Ad esempio, un cubo di quarzo di 1 cm3 con una forza applicata correttamente di 2 kN può produrre una tensione di 12500 V.
- Dall’elettricità allo sforzo: La seconda funzione, chiamata effetto piezoelettrico inverso, prende un potenziale elettrico applicato e lo converte in deformazione meccanica. Pertanto, un campo elettrico può essere applicato per indurre un’espansione o una contrazione del materiale e viceversa. Ad esempio, i cristalli di titanato zirconato di piombo generano piezoelettricità misurabile quando la loro struttura statica viene deformata di circa lo 0,1% della dimensione originale. Inversamente, gli stessi cristalli cambieranno circa lo 0,1% della loro dimensione statica quando viene applicato un campo elettrico esterno.
Applicazioni Pratiche
L’effetto piezoelettrico inverso viene utilizzato nella produzione di onde ultrasoniche. La più nota applicazione è l’accendino elettrico: premendo il pulsante, un martello a molla colpisce un cristallo piezoelettrico, producendo una corrente elettrica ad alta tensione che fluisce attraverso un piccolo spazio di scintilla, riscaldando e accendendo il gas.
Conclusione
In conclusione, la piezoelettricità rappresenta un fenomeno affascinante e utile, con
applicazioni che vanno dai dispositivi quotidiani fino alle tecnologie avanzate. Questa capacità di convertire l’energia meccanica in energia elettrica e viceversa apre un mondo di possibilità nell’ingegneria dei materiali, nell’elettronica e nella scienza dei materiali, rendendo la piezoelettricità un campo di studio e di applicazione in continua espansione.
