A Ciência Por Trás da Piezoeletricidade: Como Funciona e Por Que Importa

A maioria dos dispositivos modernos usa piezoeletricidade como componente das suas placas de circuito impresso (PCBs). Por exemplo, o seu relógio de quartzo precisa de piezoeletricidade para regular o tempo. Além disso, microfones e até a sua amada Siri também precisam para reconhecimento de voz. Mas como funciona a piezoeletricidade? Todos os materiais piezoelétricos têm características únicas. E estas características permitem-lhes integrar-se perfeitamente com a maioria das tecnologias modernas para fornecer uma mistura perfeita. Neste artigo, daremos um guia completo sobre como a piezoeletricidade funciona para uso diário.

Como Funciona a Piezoeletricidade

Ilustração da mecânica piezoelétrica.

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

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

Piezo vem da palavra grega 'piezo', que significa apertar ou pressionar. Portanto, piezoeletricidade significa 'eletricidade de apertar'. Nomeadamente, pressionar dois cristais para fazer energia elétrica. O cristal piezo ajuda a transformar energia mecânica (energia sonora) em sinais elétricos que o dispositivo elétrico pode interpretar.

Esta tecnologia está atualmente em desenvolvimento rápido. E muitas empresas estão atualmente a usar este fenómeno como base para tecnologia mais avançada. Por exemplo, o novo transdutor de tom áudio cerâmico é o fruto da piezoeletricidade.

O que é o Efeito Piezoelétrico?

Ilustração do Efeito Piezoelétrico.

O efeito piezoelétrico é a capacidade de apertar dois materiais específicos juntos para fazer uma corrente elétrica. Aplicar stress mecânico a estes materiais ajuda a criar uma carga negativa e positiva alternada no material, criando um campo elétrico ativo.

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

O efeito piezoelétrico inverso é útil em muitas áreas que envolvem produção, deteção e distribuição de som. Também inclui microbalanças, mecânica de fonte de ignição, geração de frequência eletrónica, 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 declarado antes, apertar um cristal piezoelétrico produz piezoeletricidade.

Na ilustração, quando coloca um material piezoelétrico não condutor entre duas placas metálicas e aperta ou comprime-os juntos, produzem uma corrente elétrica. As placas metálicas atuam como transmissoras desta corrente elétrica.

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

Efeito Piezoelétrico Inverso

Cria um piezoelétrico inverso quando aplica uma tensão elétrica direta para fazer um material piezoelétrico expandir ou encolher. Assim, isto cria um efeito piezoelétrico inverso — converter energia elétrica em energia mecânica.

Utilizar este método ajuda a fazer dispositivos que produzem som acústico, ex: altifalantes piezoelétricos e microfones piezoelétricos. Tais dispositivos piezoelétricos são muito funcionais pois são finos e podem caber em vários pequenos eletrodomésticos. Da mesma forma, o mesmo princípio aplica-se 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 aplica pressão (stress mecânico) e deforma aplicando alta tensão, produzem eletricidade.

Como regra, estes materiais são não condutores. E esta é a única forma do efeito piezoelétrico ocorrer.

Os materiais piezoelétricos vêm em duas categorias principais:

• Cristal piezoelétrico
• Cerâmica piezoelétrica

Exemplos de materiais piezoelétricos naturais são Berlinite, quartzo, sal de Rochelle, turmalina, etc. Exemplos de materiais piezoelétricos artificiais incluem titanato de zircónio e chumbo (PZT), titanato de bário, açúcar de cana e niobato de lítio.

Comparados a materiais biológicos, materiais fabricados são mais eficazes e têm melhor uso de material. Por exemplo, titanato de zircónio e chumbo produz uma tensão mais alta que quartzo quando exerce a mesma pressão, e isto é verdade quando aplica uma corrente de alta tensão aos dois materiais.

Materiais Piezoelétricos

Aplicações

Gerador de faísca piezoelétrico queimador num queimador de fogão a gás

Hoje, aplicações de transdutores e sensores piezoelétricos estão em todo lado. Provavelmente há algum material piezoelétrico em cada dispositivo no mercado hoje.

Tome este metro em Tóquio, por exemplo. Usa o princípio como fonte alternativa de energia.

Aqui estão algumas aplicações típicas do princípio piezoelétrico.

Sensor Piezo

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

Não requerem fonte de tensão externa e funcionam para gerar resultados da pressão aplicada.

Sensores piezoelétricos são suscetíveis, tornando-os perfeitos para dispositivos de som de alta frequência como transdutores ultrassónicos para imagiologia médica e monitorização de máquinas industriais.

Sensores piezoelétricos têm as seguintes características principais;

• Primeiro, alta resistência e finos em tamanho
• Segundo, alta resistência mecânica
• Então, alta estabilidade e conformidade elástica
• Além disso, ampla gama de frequência
• Também, resistência a impacto
• Finalmente, alta tensão de saída

Altas Tensões e Fontes de Energia

Isqueiro de cigarro usando o princípio piezoelétrico

Esta é a aplicação prática mais popular do princípio piezoelétrico que existe. Os melhores exemplos são grelhadores a gás e isqueiros elétricos de cigarro. Além disso, tudo o que faz é pressionar um botão, e um martelo carregado por mola atinge um cristal piezoelétrico. Que então produz uma faísca suficiente que causa uma carga elétrica para incendiar o gás.

Motores

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

É por isso que motores piezoelétricos têm muitas vantagens comparados a motores eletromagnéticos convencionais. Além disso, fornecem maior força e binário apesar de serem geralmente menores e mais compactos.

Além disso, campos eletromagnéticos não afetam o desempenho de dispositivos piezoelétricos, o que os torna melhores para início e paragem rápidos.

Atuadores Piezoelétricos

Ilustração de atuador piezoelétrico.

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

Atuadores utilizam o efeito piezoelétrico inverso para alimentar dispositivos como máquinas de braille e tricô. Dentro do sistema do atuador, um material piezoelétrico senta-se entre uma placa metálica e um dispositivo atuador.

Aplicar uma corrente de alta tensão neste sistema faz o material piezoelétrico expandir e contrair em intervalos, causando o movimento rítmico do atuador.

Estes atuadores são benéficos, especialmente em dispositivos que requerem posicionamento preciso, como espelhos em satélites. Também, devido ao seu design simples e partes móveis mínimas, são ótimos para dispositivos miniaturizados como câmaras de vídeo e telemóveis.

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 a qualquer temperatura	A sua sensibilidade a vibração torna-os propensos a vibrações aleatórias.
Sem efeito do campo eletromagnético.	Às vezes a rigidez do material piezoelétrico não corresponde ao material de aplicação, ex: pavimento.
Têm baixa pegada de carbono tornando-os a melhor alternativa para combustível fóssil
Materiais altamente reutilizáveis
A sua pequena resposta a alta frequência torna-os os melhores colheitadeiros de energia.

Geradores Piezoelétricos

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

Nesta geração, geradores piezoelétricos são uma descoberta muito bem-vinda na geração de energia. Embora ainda não alcançado, possuem o poder de trazer o sonho de dispositivos eletrónicos sem fios auto-alimentados à realidade.

Pode ainda ser um longo caminho até podermos atualizar este sonho; no entanto, geradores piezoelétricos provaram ser fontes de energia confiáveis, estáveis e altamente duráveis. Especialistas acreditam que não demorará muito até geradores piezoelétricos poderem substituir uma grande parte das nossas necessidades de energia.

Geradores Piezoelétricos – Benefícios e Limitações

Benefícios

• Primeiro, versáteis em tamanho. Devido às suas características únicas, elementos piezo vêm em tamanhos e designs altamente flexíveis. Podem ser tão planos quanto precisar para caber em qualquer dispositivo miniatura.

Segundo, elementos piezo colhem energia que de outra forma iria para desperdício. Por exemplo, um motor piezo ligado a uma ponte pedonal recolhe a vibração do tráfego pedonal e converte-a em energia elétrica. Isto funciona como fonte alternativa de energia e forma de reduzir ruído do ambiente.

Limitações

• Têm saída de potência limitada. Um gerador piezoelétrico precisa de vibrações constantes para gerar potência constante. Portanto, a potência gerada é diretamente proporcional ao stress aplicado. Pode aumentar a saída empilhando múltiplos elementos piezoelétricos juntos. No entanto, após certo ponto, há retornos decrescentes já que precisará de mais pressão para trabalhar o sistema.

Conclusão

Então, como funciona a piezoeletricidade? Em resumo, materiais piezoelétricos podem convenientemente converter energia mecânica em energia elétrica. As características únicas destes materiais tornam-nos 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 para explorar. Fabricantes de tecnologia como WellPCB estão na linha da frente na integração desta tecnologia no uso diário.