EFFETTO PIEZOELETTRICO

L'effetto piezoelettrico e` una particolare proprieta` di alcuni materiali che venne scoperta nel 1880 da Pierre Curie.

Esempi di materiali piezoelettrici sono quarzo, zucchero di canna e tormalina (performance ridotte) o pimbo zirconato, piombo-zirconato di titanio, titanato di bario (che vanno sotto il nome di piezoceramici e hanno performance elevate).

Questa proprieta` consiste in un accoppiamento elettromeccanico insito nella natura stessa del materiale, derivante dalla presenza di una polarizzazione residua (si dara` una breve spiegazione di cosa s'intenda nella parte finale). 

Che cosa vuol dire accoppiamento elettromeccanico? Significa che il materiale e` in grado di trasformare energia meccanica in energia elettrica (effetto diretto) o viceversa (effetto inverso). 

Effetto diretto:

Se esercitiamo una pressione su una piastrina di materiale piezoelettrico (energia meccanica) esso si deforma; deformandosi, genera una tensione elettrica [V] (energia elettrica) che possiamo usare per alimentare un circuito elettrico. 

In generale, l'effetto diretto trova la sua piu` grande applicazione nell'utilizzo dei piezoelettrici come sensori per misurare deformazioni o forze

Alcune bilance digitali sfruttano proprio questo principio: metto la pasta che voglio pesare sulla bilancia; il piatto e` collegato ad una piastra piezoelettrica; quando il piatto viene premuto dal peso, il piezoelettrico viene schiacciato (deformato) e genera una tensione. Collegando due elettrodi al piezoelettrico possiamo alimentare un circuito attraverso il quale farci restituire una misura della massa su uno schermo digitale.

Gli accendini a pulsante, generano la scintilla attraverso la tensione che si genera su un piccolo elemento piezoelettrico che deformiamo quando schiacciamo il pulsante.

https://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectric_sensor#/media/File:SchemaPiezo.gif

Effetto inverso:

Se viceversa applichiamo una tensione al piezoelettrico, collegandolo ad un circuito elettrico che siamo noi ad alimentare, il materiale si deforma.

L'effetto inverso trova quindi applicazione nell'attuazione, ovvero nella generazione di forze o deformazioni.

Se incolliamo un piezoelettrico ad una struttura, per esempio una trave, nel momento in cui applichiamo una tensione su di esso, quest'ultimo si deformera` facendo deformare anche la trave a cui e` collegato. Possiamo quindi deformare e applicare forze su una struttura usando dei piezolettrici. 

Esistono una miriade di applicazioni.

Una delle applicazioni piu` complesse vede l'utilizzo di attuatori piezoelettrici per controllare le vibrazioni dei pannelli strutturali di un elicottero al fine di ridurre il rumore acustico in cabina. Infatti, alimentando i piezoelettrici con una tensione alternata questi vibrano.

Esistono anche speaker in cui piezoelettrici mettono in vibrazione la membrana che genera suoni.

Manifattura:

Per ottenere dei piezoelettrici con prestazioni elevate (piezoceramici) sono necessari dei particolari trattamenti termoelettrici: 

• Il materiale sotto forma di polvere viene scaldato a 800/1000 °C;

• Si aggiunge del legante;

• Si da` al materiale la forma desiderata, solitamente piastre dello spessore minimo di decimi di millimetro;

• Si raffredda;

• Si applica un campo elettrico per una determinato intervallo di tempo. 

• Si rimuove infine il campo elettrico. Un materiale piezoelettrico, a differenza di uno che non lo e`, dopo aver rimosso il campo elettrico mantiene una polarizzazione residua, ovvero, le cariche elettriche nel materiale non si disporranno in modo totalmente casuale come succede ai materiali non piezoelettrici, ma assumeranno una disposizione orientata, che e` cio` che genera l'effetto piezoelettrico. Diciamo, in modo semplicistico, che le cariche positive tenderanno a concentrarsi da un lato e quelle negative dall'altro. Questa disposizione fa si che il materiale presenti effetto piezoelettrico.

ScienceFull.