Como funciona o piezoelétrico:um guia completo e definitivo

A maioria dos dispositivos modernos usa a piezoeletricidade como componente de suas placas de circuito impresso (PCBs). Por exemplo, seu relógio de quartzo precisa de piezoeletricidade para regular o tempo. Além disso, microfones e até mesmo sua amada Siri também precisam dele para reconhecimento de voz. Mas como funciona o piezoelétrico? Todos os materiais piezoelétricos têm características únicas. E essas características permitem que eles se integrem perfeitamente às tecnologias mais modernas para fornecer uma combinação perfeita. Neste artigo, forneceremos um guia completo sobre como a piezoeletricidade funciona para o uso diário.

Como funciona o Piezoelétrico

Ilustração de mecânica de piezoeletricidade.

Fonte: https://www.audiowell.com/technology/187.html

Piezoelétrico foi um termo cunhado pelos irmãos de dois cientistas franceses, Jacques e Pierre Curie. Depois de descobrir que aplicar pressão em dois quartzos (ou certos cristais) cria uma carga elétrica.

Piezo vem da palavra grega 'peça em ,' que significa Apertar ou pressionar. Portanto, piezoeletricidade significa ‘espremer eletricidade’, ou seja, pressionar dois cristais para produzir energia elétrica. O cristal piezo ajuda a transformar a mecânica (energia sonora) em sinais elétricos que o dispositivo elétrico pode interpretar.

Esta tecnologia está atualmente em rápido desenvolvimento. E muitas empresas estão atualmente usando esse fenômeno como base para uma tecnologia mais avançada. Por exemplo, o novo transdutor de tom de áudio de cerâmica é uma criação da piezoeletricidade.

O que é o efeito piezoelétrico?

Ilustração de efeito piezoelétrico.

O efeito piezoelétrico é a capacidade de espremer dois materiais específicos para formar uma corrente elétrica. A aplicação de estresse mecânico a esses materiais ajuda a criar uma carga alternada negativa e positiva no material, criando um campo elétrico ativo.

No entanto, essa característica única da piezoeletricidade também é reversível. Materiais que apresentam um efeito piezoelétrico direto também podem apresentar um efeito piezoelétrico inverso.

O efeito piezoelétrico inverso é útil em muitas áreas que envolvem a produção, detecção e distribuição de som. Além disso, inclui microbalanças, mecânica de fontes de ignição, geração eletrônica de frequência, produção de altas tensões, etc.

Efeito Piezoelétrico Direto

Ilustração de piezoelétrico e piezoelétrico inverso.

Fonte: https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/leadfree-piezoceramics-status-and-perspectives/533F8B4F91B57A04C2E70D372D4627E5

Como afirmado anteriormente, espremer um cristal piezoelétrico produz piezoeletricidade.

Na ilustração, quando você coloca um material piezoelétrico não condutor entre duas placas de metal e as aperta ou comprime, elas produzem uma corrente elétrica. As placas de metal atuam como transmissores dessa corrente elétrica.

A corrente elétrica produzida cria uma corrente – conhecida como efeito piezoelétrico.

Efeito Piezoelétrico Inverso

Você cria um piezoelétrico inverso quando aplica uma tensão elétrica direta para fazer um material piezoelétrico expandir ou encolher. Assim, isso cria um efeito piezoelétrico inverso – convertendo energia elétrica em energia mecânica.

A utilização desse método ajuda a fabricar dispositivos que produzem som acústico, por exemplo, alto-falantes piezoelétricos e microfones piezoelétricos. Esses dispositivos piezoelétricos são muito funcionais, pois são finos e podem caber em vários pequenos aparelhos. Da mesma forma, o mesmo princípio se aplica a dispositivos como transdutores de sonar e ultrassons médicos.

https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM

Materiais Piezoelétricos

Vários materiais, tanto naturais como artificiais, exibem efeitos piezoelétricos. Quando você aplica pressão (estresse mecânico) e deforma aplicando alta tensão, eles produzem eletricidade.

Como regra, esses materiais são não condutores. E esta é a única maneira que o efeito piezoelétrico pode ocorrer.

Os materiais piezoelétricos vêm em duas categorias principais:

• Cristal piezoelétrico
• Cerâmica piezoelétrica

Exemplos de materiais piezoeléctricos de ocorrência natural são Berlinite, quartzo, sal de Rochelle, turmalina, etc. Exemplos de materiais piezoeléctricos artificiais incluem titanato de zirconato de chumbo (PZT), titanato de bário, açúcar de cana e niobato de lítio.

Comparados aos materiais biológicos, os materiais manufaturados são mais eficazes e têm melhor aproveitamento do material. Por exemplo, o titanato de zirconato de chumbo produz uma voltagem mais alta que o quartzo quando você exerce a mesma pressão, e isso é verdade quando você aplica uma corrente de alta voltagem aos dois materiais.

Materiais Piezoelétricos

Aplicativos

Queimador de gerador de faísca piezoelétrico em um queimador de fogão a gás

Hoje, transdutores piezoelétricos e aplicações de sensores estão em toda parte. Provavelmente há algum material piezoelétrico em todos os dispositivos no mercado hoje.

Pegue este metrô em Tóquio, por exemplo. Utiliza o princípio como fonte alternativa de energia.

Aqui estão algumas aplicações diárias típicas do princípio piezoelétrico.

Sensor Piezo

Sensores piezoelétricos convertem uma dimensão física em uma força que atua em duas faces opostas do elemento sensorial. Em termos simples, os sensores detectam as variações de pressão provocadas pelo som.

Eles não requerem fonte de tensão externa e trabalham para gerar resultados a partir da pressão aplicada.

Os sensores piezoelétricos são suscetíveis, tornando-os perfeitos para dispositivos de som de alta frequência, como transdutores ultrassônicos para imagens médicas e monitoramento de máquinas industriais.

Os sensores piezoelétricos têm as seguintes características principais;

• Primeiro, alta resistência e tamanho fino
• Segundo, alta resistência mecânica
• Então, alta estabilidade e complacência elástica
• Além disso, ampla faixa de frequência
• Além disso, resistência ao impacto
• Finalmente, saída de alta tensão

Alta tensão e fontes de energia

Isqueiro usando o princípio piezoelétrico

Esta é a aplicação prática mais popular do princípio piezoelétrico que existe. Os melhores exemplos são as churrasqueiras a gás e os isqueiros elétricos. Além disso, tudo o que você faz é pressionar um botão e um martelo com mola atinge um cristal piezoelétrico. Que então produz uma faísca suficiente que causa uma carga elétrica para inflamar o gás.

Motores

A principal vantagem do efeito piezoelétrico é a pequena mudança na correspondência com aplicações de alta tensão – tornando-o perfeito para uso com extrema precisão no posicionamento.

É por isso que os motores piezoelétricos têm muitas vantagens em relação aos motores eletromagnéticos convencionais. Além disso, proporcionam maior força e torque apesar de serem geralmente menores e mais compactos.

Além disso, os campos eletromagnéticos não afetam o desempenho dos dispositivos piezoelétricos, o que os torna melhores para partida e parada rápidas.

Atuadores Piezoelétricos

Ilustração do atuador piezoelétrico.

Fonte: https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866

Os atuadores utilizam o efeito piezoelétrico inverso para alimentar dispositivos como braille e máquinas de tricô. Dentro do sistema atuador, um material piezoelétrico fica entre uma placa de metal e um dispositivo atuador.

A aplicação de uma corrente de alta tensão neste sistema faz com que o material piezoelétrico se expanda e se contraia em intervalos, fazendo com que o atuador se mova ritmicamente.

Esses atuadores são benéficos, especialmente em dispositivos que exigem posicionamento preciso, como espelhos em satélites. Além disso, devido ao seu design simples e peças móveis mínimas, eles são ótimos para dispositivos miniaturizados, como câmeras de vídeo e telefones celulares.

Prós e contras da piezoeletricidade

Apesar de todos os elogios, a piezoeletricidade também tem algumas limitações. Aqui estão alguns dos principais prós e contras da piezoeletricidade.

Vantagens	Desvantagens
Capacidade de operar em qualquer temperatura	Sua sensibilidade à vibração os torna propensos a vibrações aleatórias.
Nenhum efeito do campo eletromagnético.	Às vezes, a rigidez do material piezoelétrico não corresponde ao material de aplicação, por exemplo, pavimento.
Tem baixa pegada de carbono, tornando-os a melhor alternativa para combustível fóssil
Materiais altamente reutilizáveis
Sua pequena resposta à alta frequência os torna os melhores coletores de energia.

Geradores Piezoelétricos

Um gerador piezoelétrico (também conhecido como PEGs) utiliza sensores piezoelétricos para converter energia mecânica em energia elétrica sem qualquer rotação física – normalmente encontrado em geradores tradicionais. Como tal, os geradores piezoelétricos vêm em tamanhos pequenos, compactos e muito gerenciáveis.

Nesta geração, os geradores piezoelétricos são um avanço muito bem-vindo na geração de energia. Embora ainda não alcançados, eles possuem o poder de tornar realidade o sonho dos dispositivos eletrônicos sem fio autoalimentados.

Ainda pode ser um longo caminho até que possamos realizar esse sonho; no entanto, os geradores piezoelétricos provaram ser fontes de energia confiáveis, estáveis ​​e altamente duráveis. Especialistas acreditam que não demorará muito até que os geradores piezoelétricos possam substituir uma grande parte de nossas necessidades de energia.

Geradores Piezoelétricos – Benefícios e Limitações

Benefícios

• Em primeiro lugar, versátil em tamanho. Devido às suas características únicas, os elementos piezoelétricos vêm em tamanhos e designs altamente flexíveis. Eles podem ser tão planos quanto você precisa para caber em qualquer dispositivo em miniatura.

Em segundo lugar, os elementos piezoelétricos coletam energia que, de outra forma, seria desperdiçada. Por exemplo, um motor piezo acoplado a uma passarela recolhe a vibração dos pés e a converte em energia elétrica. Isso funciona como uma fonte alternativa de energia e uma forma de reduzir o ruído do ambiente.

Limitações

• Eles têm potência limitada. Um gerador piezoelétrico precisa de vibrações constantes para gerar energia constante. Portanto, a potência gerada é diretamente proporcional à tensão aplicada. Você pode aumentar a saída empilhando vários elementos piezoelétricos. No entanto, depois de um certo ponto, há retornos decrescentes, pois será necessário mais pressão para funcionar o sistema.

Conclusão

Então, como funciona o piezoelétrico? Em resumo, os materiais piezoelétricos podem converter convenientemente energia mecânica em energia elétrica. As características únicas desses materiais os tornam altamente úteis em muitas áreas de tecnologia. Especialmente áreas que precisam de posicionamento preciso.

As aplicações da tecnologia piezoelétrica são ilimitadas e há muitas possibilidades a serem exploradas. Fabricantes de tecnologia como WellPCB estão na linha de frente na integração dessa tecnologia no uso diário.