Piezoelectricitatea

Piezoelectricitatea

Materiale piezoelectrice- introducere

Efectul piezoelectric este descries de relatia dintre o forta mecanica si o tensiune electrica in corpuri. Efectul piezoelectric este un effect in careenergia este convertita intre formele electrice si mecanice. Acest efect este reversibil, o forta mecanica aplicata genereaza tensiune electrica si invers, o tensiune electrica aplicata genereaza o deformare a corpului cu o cantitate foarte mica, aproximativ 4% din volumul corpului. In fizica, efectul piezoelectric poate fi descries ca legatura dintre electrostatica si mecanica.

Isctoric

Efectul piezoelectric a fost descoperit in 1880de catre fratii Jacques si Pierre Curie. Au aflat ca atunci cand o forta mecanica a fost aplicata pe cristale, cum ar fi tourmaline, topaz, cuart, sare Rochelle si trestie de zahar, a aparut o incarcare electrica iar acest lucru a fost proportionala cu tensiunea fortei aplicate. Prima oara a fost aplicata la ceasuri ca element de antrenare ca balante cuart pentru standarde de frecventa. O aplicare in viata de zi cu zi este senzorul din airbag-urile masinilor. Alte aplicatii ar fi microfoanele piezoelectrice ace ar fi un exemplu foarte bun al acestui fenomen. Materialul detecteaza intensitate socului si trimite un semnal electric care provoaca deschiderea airbagului.

Materiale piezoelectrice

Efectul piezoelectric se produce numai in materialele nonconductoare. Materialele piezoelectrice pot fi impartite in doua grupe principale: cristale si ceramice. Cel mai cunoscut material piezoelectric este quartz-ul (SiO2).

Senzori piezoelectrici

Structura interna a unui electret

Electretii sunt corpuri solide care au polarizare electrica permanenta. Figura de mai sus arata schema interna a unui electret. In general, alinierea dipolilor electrice interne ar duce la o incarcare care ar fi demn de luat in seama de pe suprafata corpului. In practica aceasta mica incarcare este risipit repede de incarcarile libere din atmosfera din jur care sunt atrase de suprafata incarcata. Electretii sunt frecvent utilizate in microfoane.

Polarizarea permanenta, la fel ca in cazul electretilor, de asemenea se observa si la cristale. In aceste structuri fiecare celula de crystal are un dipol electric si celulele sun orientate astfel incat dipolii electrici sunt aliniati. Din nou acest lucru duce la incarcarea in exces a suprafetei care atrage incarcarile libere din atmosfera din jur care face cristalul neutru electric. Daca se aplica o forta sufficient de mare pe cristalul piezoelectric va avea loc o deformare. Aceasta deformare rupe orientarile dipolilor electrice si creaza o situatie in care incarcarea nu este complet anulat. Acest lucru duce la un exces temporar de incarcari pe suprafata cristalului care, ulterior, se manifesta ca o tensiune care este dezvoltata in cadrul cristalului.

Pentru a utilize acest principiu fizic ca sensor de forta trebuie sa aiba posibilitatea de a masura tensiunea de pe suprafata cristalului.

Senzor bazat pe efectul piezoelectric

Figura de mai sus arata o posibilitate comuna de a folosi un cristal piezoelectric ca sensor de forta. Doua placi de metal sunt folosite pentru a cuprinde cristalul creand un condensator. Asa cum s-a zis mai sus, daca pe un crystal piezoelectric se aplica o forta el creaza o tensiune. Astfel cu cat este mai mare forta cu atat incarcarea este mai mare pe suprafata cristalului. Acest lucru duce la o incarcare de tensiune undfe incarcarea rezulta dintr-o forta si o capacitate a aparatului.

In modul descries mai inainte cristalele piezoelectrice actioneaza ca traductoare care transforma forta sau tensiune mecanica in incarcare electrica care la urma sunt convertite in tensiune. Alternativ daca am aplica o tensiune pe una dintre polii cristalului, dipolii electrici s-ar re-alinia si ar rezulta o deformare a cristalului. Un exemplu in acest sens traductoarele utilizate se gasesc in microfoane si difuzoare.

Cuartul

Cuartul este un mineral raspandit in scoarta terestra, care are compozitia chimica SiO₂ cristalizand in sistemul trigonal.

Proprietati

In stare pura cuartul este incolor, impuritatile din cristal determina culoarea mineralului. Cuartul cristalizeaza frecvent in goluri existente in roci numite geode. Clivajul este inexistent in spartura avand o culoare sidefie, are valoarea 7 pe scara duritatii lui Mohs. Inainte de descoperirea proprietatii sale piezoelectrice, cuartul a fost utilizat ca piatra in bijuterii. Din punct de vedere optic el poate fi usor confundat cu calcitul, de care se deosebeste prin duritatea sa mai mare (7) valoarea refractiei duble mai reduse si nu reactioneaza ca si calcitul cu (HCl) acidul clorhidric.

Utilizare

• proprietatea piezoelectrica presiunea pe cristal la un anumit punct produce polarizarea electrica a acestuia, important in producerea semiconductorilor, tactul de frecventa la computer, televiziune, celula solara.
• proprietatea de deviere a luminii polarizate o deviatie de 27,71/nm.ca prisme optice lentile.
• proprietatea de a nu reactiona cu acizii (exceptie acidul clorhidric) se folosesc ca vase pentru reactivi.
• la fel utlizat la producera instrumentelor de precizie ca de exeplu cantar cu fir de torsiune.
• folosit in acustica electronica, sau lampa de cuart.
• foarte frecvent folosit ca bijuterie, sunt varietatile colorate ale cuartului .
• o varietate a sa a fost si inca este folosit in societatile umane primitive ca si unealta.

Prisma din cuart

Propuneri de utilizare a cuartului

O posibilitate foarte avantajoasa a cuartului ar fi implantarea in covoare sau sosele cu circulatie foarte mare care ar putea produce o tensiune care s-ar putea folosi in locul tensiunii obtinuta prin alte metode.

Aceasta metoda se poate realiza prin introducerea unor celule in carosabil sau sa se realizeze covoare cu cellule de cuart la care sa fie legata o retea de captare a energiei elecctrice si legarea acestui system la o retea de stocare a energiei electrice. Ulterior eceasta energie s-ar putea utilize in foarte multe aplicatii. Prin legarea celulelor corespunzatoare s-ar putea obtine o tensiune semnificativa.