Piezoelettricità e cristalli che conducano corrente elettrica

Edwin Robledo Edwin Robledo Agosto 3, 2023

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Scopri come la piezoelettricità produce una carica elettrica applicando una sollecitazione meccanica ad un materiale piezoelettrico.

Piezo cosa? Per quanto possa sembrare strano, capire il funzionamento della piezoelettricità è molto semplice. Il termine piezoelettrico deriva dalla parola greca “piezein”, che significa letteralmente “spremere” o “premere”. Anziché spremere l’uva per fare il vino, spremiamo i cristalli per ottenere corrente elettrica. La piezoelettricità è presente in moltissimi dispositivi elettronici di uso quotidiano, dagli orologi al quarzo agli altoparlanti, ai microfoni.

In breve, la piezoelettricità è il processo di utilizzo dei cristalli per convertire l’energia meccanica in energia elettrica o viceversa.

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I cristalli regolari sono definiti dalla loro struttura organizzata e ripetuta di atomi tenuti insieme da legami, chiamata cella unitaria. La maggior parte dei cristalli, come il ferro, include una cella unitaria simmetrica. Questo li rende inutili per gli scopi piezoelettrici.

Esistono altri cristalli che vengono accomunati ai materiali piezoelettrici. La struttura di questi cristalli non è simmetrica, ma li mantiene comunque in un equilibrio elettricamente neutro. Tuttavia, se si applica una pressione meccanica ad un cristallo piezoelettrico, la struttura si deforma, gli atomi si spostano e si ottiene un cristallo che conduce corrente elettrica. Se si prende lo stesso cristallo piezoelettrico e si applica una corrente elettrica, il cristallo si espande e si contrae, convertendo l’energia elettrica in energia meccanica.

Tipi di materiali piezoelettrici

Esistono molti materiali piezoelettrici, artificiali o naturali, in grado di condurre corrente elettrica. Il primo materiale piezoelettrico, e anche il più noto, utilizzato nei dispositivi elettronici è il cristallo di quarzo. Altri materiali piezoelettrici presenti in natura sono lo zucchero di canna, il sale di Rochelle, il topazio, la tormalina e persino le ossa.

Quando la tecnologia piezoelettrica ha iniziato a decollare dopo la prima guerra mondiale, abbiamo iniziato a sviluppare materiali artificiali in grado di competere con le prestazioni del quarzo. I materiali piezoelettrici artificiali includono:

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Funzionamento della piezoelettricità

Abbiamo materiali specifici adatti alle applicazioni della piezoelettricità, ma come funziona esattamente il processo? Con l’effetto piezoelettrico. La caratteristica più singolare di questo effetto è che funziona in due modi. È possibile applicare energia meccanica o elettrica allo stesso materiale piezoelettrico e ottenere il risultato opposto.

L’applicazione di energia meccanica ad un cristallo è un effetto piezoelettrico diretto e funziona in questo modo:

  1. Tra due piastre metalliche viene posizionato un cristallo piezoelettrico. In questo modo, il materiale è perfettamente bilanciato e non conduce corrente elettrica.
  2. Le piastre metalliche applicano successivamente una pressione meccanica sul materiale, che provoca uno squilibrio tra le cariche elettriche all’interno del cristallo. Le cariche negative e positive in eccesso si trovano sui lati opposti della faccia del cristallo.
  3. La piastra metallica raccoglie queste cariche, che possono essere utilizzate per produrre una tensione e inviare corrente elettrica attraverso un circuito.

Ecco appunto che una semplice applicazione di pressione meccanica, la compressione di un cristallo, crea improvvisamente una corrente elettrica. Si può anche fare il contrario, applicando un segnale elettrico ad un materiale per ottenere l’effetto piezoelettrico inverso.Funziona così:

  1. Come nell’esempio precedente, abbiamo un cristallo piezoelettrico tra due piastre metalliche. La struttura del cristallo è perfettamente bilanciata.
  2. Successivamente viene applicata energia elettrica al cristallo, con l’effetto di restringere ed espandere la struttura.
  3. Quando la struttura del cristallo si espande e si contrae, converte l’energia elettrica ricevuta e rilascia energia meccanica sotto forma di onda sonora.

L’effetto piezoelettrico inverso viene utilizzato in numerose applicazioni. Un esempio è quello di un altoparlante che applica una tensione ad una ceramica piezoelettrica, facendo vibrare il materiale nell’aria sotto forma di onde sonore.

La scoperta della piezoelettricità

La piezoelettricità è stata scoperta per la prima volta nel 1880 da due fratelli e scienziati francesi, Jacques e Pierre Curie. Mentre sperimentavano diversi cristalli, scoprirono che l’applicazione della pressione meccanica a cristalli specifici come il quarzo rilasciava una carica elettrica. Chiamarono questo fenomeno “effetto piezoelettrico”.

Nei 30 anni successivi, la piezoelettricità fu riservata in gran parte agli esperimenti di laboratorio e ad ulteriori perfezionamenti. Durante la prima guerra mondiale, la piezoelettricità è stata utilizzata per applicazioni pratiche nel sonar. Il sonar funziona collegando una tensione ad un trasmettitore piezoelettrico. È un esempio concreto di effetto piezoelettrico inverso che converte l’energia elettrica in onde sonore meccaniche.

Le onde sonore attraversano l’acqua finché non colpiscono un oggetto, quindi tornano ad un ricevitore sorgente. Questo ricevitore utilizza l’effetto piezoelettrico diretto per convertire le onde sonore in una tensione elettrica, che un dispositivo di elaborazione del segnale può quindi elaborare. Utilizzando il tempo che intercorre tra la partenza e il ritorno del segnale, è possibile calcolare facilmente la distanza di un oggetto sott’acqua.

Con il successo del sonar, la piezoelettricità ha attirato l’attenzione dei militari. Durante la seconda guerra mondiale, questa tecnologia progredì ulteriormente: ricercatori statunitensi, russi e giapponesi lavorarono per creare nuovi materiali piezoelettrici artificiali chiamati “ferroelettrici”. In seguito a questa ricerca sono stati creati due materiali artificiali utilizzati accanto al cristallo di quarzo naturale, ovvero il titanato di bario e il piombo-zirconato di titanio.

La piezoelettricità oggi

Nel mondo dell’elettronica di oggi, la piezoelettricità viene utilizzata ovunque. Quando si chiedono a Google indicazioni per un nuovo ristorante viene utilizzata la piezoelettricità prodotta nel microfono. C’è persino una metropolitana a Tokyo che sfrutta l’energia dei passi umani per alimentare strutture piezoelettriche nel terreno. La piezoelettricità viene utilizzata anche nelle seguenti applicazioni elettroniche:

Attuatori

Gli attuatori utilizzano la piezoelettricità per alimentare dispositivi come macchine per maglieria e braille, videocamere e smartphone. In questo sistema, una piastra metallica e un dispositivo attuatore sono collegati “a sandwich” con un materiale piezoelettrico. La tensione viene quindi applicata al materiale piezoelettrico, che si espande e si contrae. Questo movimento causa anche lo spostamento dell’attuatore.

Altoparlanti e cicalini

Gli altoparlanti utilizzano la piezoelettricità per alimentare dispositivi come le sveglie e altri piccoli dispositivi meccanici che richiedono capacità audio di alta qualità. Questi sistemi sfruttano l’effetto piezoelettrico inverso convertendo un segnale di tensione audio in energia meccanica sotto forma di onde sonore.

Driver

I driver convertono una batteria a bassa tensione in una tensione più alta che può essere utilizzata per azionare un dispositivo piezoelettrico. Questo processo di amplificazione inizia con un oscillatore che emette onde sinusoidali più piccole. Queste onde sinusoidali vengono poi amplificate con un amplificatore piezoelettrico.

Sensori

I sensori sono utilizzati in diverse applicazioni, come i microfoni, le chitarre amplificate e le apparecchiature di imaging medico. In questi dispositivi viene utilizzato un microfono piezoelettrico per rilevare le variazioni di pressione delle onde sonore, che possono poi essere convertite in un segnale elettrico per l’elaborazione.

Accensione

Una delle applicazioni più semplici della piezoelettricità è l’accendisigari elettrico. Premendo il pulsante dell’accendino, un martello caricato a molla rilascia un cristallo piezoelettrico. Questo produce una corrente elettrica che attraversa uno spinterometro per riscaldare e accendere il gas. Questo stesso sistema di accensione piezoelettrica è utilizzato nei bruciatori a gas e nelle gamme di forni più grandi.

Motori

I cristalli piezoelettrici sono perfetti per le applicazioni che richiedono precisione, come il movimento di un motore. In questi dispositivi, il materiale piezoelettrico riceve un segnale elettrico, che viene poi convertito in energia meccanica per forzare lo spostamento di una piastra di ceramica.

Piezoelettricità e futuro

Cosa riserva il futuro per la piezoelettricità? Le possibilità abbondano. Un’idea molto diffusa tra gli inventori è quella di utilizzare la piezoelettricità per la raccolta di energia. Immagina di avere nel tuo smartphone dispositivi piezoelettrici che possono essere attivati e mantenuti carichi con il semplice movimento del tuo corpo.

O volendo pensare in grande, si potrebbe incorporare sotto la pavimentazione autostradale un sistema piezoelettrico che venga attivato dalle ruote delle auto che transitano. Questa energia potrebbe essere utilizzata per illuminare i semafori e altri dispositivi vicini. Se a questo si aggiunge una strada piena di auto elettriche, si verrebbe a creare una condizione energetica nettamente positiva.

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