Materiais piezoelétricos existe desde o final dos anos 80 e abriu caminho para muitas invenções revolucionárias. Servindo na forma de SONHE na guerra mundial, esses materiais chamaram a atenção dos inventores por seus características místicas . Redes de sensores sem fio , Internet das Coisas governa a era técnica do século XXI. Para manter essas novidades funcionando, a necessidade de energia se tornou o maior desafio. Procure um ambiente sustentável e confiável energia renovável fonte fez os pesquisadores tropeçarem em colheitadeiras de energia pioneiras - o materiais piezoelétricos . Vamos iniciar uma viagem para explorar essa nova era colheitadeiras de energia.
O que é material piezoelétrico?
Para saber o que é material piezoelétrico É preciso saber o que significa o termo piezoelétrico ?. No PIEZOELETRICIDADE o termo 'piezo' significa pressão ou estresse. Por isso piezoeletricidade é definida como 'Eletricidade gerada pela aplicação de estresse mecânico ou tensão' e os materiais que apresentam esta propriedade estão na categoria de materiais piezoelétricos . O crédito pela descoberta desses materiais vai para Sir Jacques Curie (1856–1941) e Pierre Curie (1859–1906) . Ao fazer experiências com certos minerais cristalinos como quartzo, cana-de-açúcar, etc ... eles descobriram que a aplicação de força ou tensão nesses materiais gerava tensões de polaridades opostas com magnitudes proposicionais à carga aplicada. Este fenômeno foi denominado como Direto Efeito piezoelétrico .
No ano seguinte, Lippman descobriram o efeito Converse afirmando que um desses cristais geradores de voltagem, quando exposto a um campo elétrico, aumentava ou diminuía de acordo com a polaridade do campo aplicado. Materiais piezoelétricos tornou-se conhecido por seu papel na 1ª Guerra Mundial, quando o Quartzo foi usado como ressonadores no SONAR. Durante o período da 2ª Guerra Mundial, material piezoelétrico sintético foi descoberto, o que mais tarde levou ao intenso desenvolvimento de dispositivos piezoelétricos . Antes de usar um material piezoelétrico, deve-se saber quais são as características que os tornam piezoelétricos.
Propriedades do material piezoelétrico e como ele funciona?
O segredo dos materiais piezoelétricos está em sua estrutura atômica única. Os materiais piezoelétricos são ionicamente ligados e contêm íons positivos e negativos na forma de pares chamados células unitárias. Esses materiais estão disponíveis na natureza como um dielétrico anisotrópico com Rede cristalina não centrossimétrica ou seja, eles não têm nenhuma carga elétrica livre e os íons não têm um centro de simetria.
Efeito Piezoelétrico Direto
Quando o estresse mecânico ou atrito é aplicado a esses materiais, a geometria da estrutura atômica do cristal muda devido ao movimento líquido de íons positivos e negativos em relação um ao outro, resultando em dipolo elétrico ou Polarização . Assim, o cristal muda de um material dielétrico para um carregado. A quantidade de voltagem gerada é diretamente proporcional à quantidade de estresse ou tensão aplicada ao cristal.
Efeito Piezoelétrico Direto
Efeito Piezoelétrico Converse
Quando eletricidade é aplicada a esses cristais dipolos elétricos aparecem, formando o movimento dipolar que causa deformação do cristal, dando origem a efeito piezoelétrico como mostrado na figura.
Efeito Piezoelétrico Converse
Materiais Piezoelétricos Sintéticos
Sintético materiais piezoelétricos gostar cerâmicas piezoelétricas exibem polarização espontânea (propriedade ferroelétrica), ou seja, existe dipolo em sua estrutura mesmo quando nenhum campo elétrico é aplicado. Aqui a quantidade de efeito piezoelétrico produzido depende fortemente de sua estrutura atômica. Os dipolos presentes na estrutura formam domínios-regiões onde os dipolos vizinhos têm o mesmo alinhamento. Inicialmente, esses domínios são orientados aleatoriamente, não causando polarização de rede.
Estrutura de cristal de perovskita acima e abaixo do ponto de Curie
Ao aplicar um forte campo elétrico DC a essas cerâmicas quando elas passam pelo seu ponto Curie, os domínios ficam alinhados na direção do campo elétrico aplicado. Este processo é chamado enquete . Após o resfriamento à temperatura ambiente e a remoção do campo elétrico aplicado, todos os domínios mantêm sua orientação. Após a conclusão deste processo, a cerâmica exibe o efeito piezoelétrico . Materiais piezoelétricos naturais existentes como quartzo não exibem comportamento ferroelétrico .
Equação Piezoelétrica
O efeito piezoelétrico pode ser descrito com o seguinte Equações de acoplamento piezoelétrico
Efeito piezoelétrico direto: S = sE .T + d. E
Efeito piezoelétrico inverso: D = d.T + εT.E
Onde,
D = vetor de deslocamento elétrico
T = o vetor de estresse
sE = matriz de coeficientes elásticos em intensidade de campo elétrico constante,
S = vetor cepa
εT = matriz dielétrica em deformação mecânica constante
E = vetor de campo elétrico
d = efeito piezoelétrico direto ou inverso
O campo elétrico aplicado em diferentes direções gera diferentes quantidades de tensões em materiais piezoelétricos. Portanto, as convenções de sinais são usadas junto com os coeficientes para saber a direção do campo aplicado. Para determinar a direção, os eixos 1, 2, 3 são usados analogamente a X, Y, Z. O poling é sempre aplicado na direção de 3. O coeficiente com índices duplos relaciona características elétricas e mecânicas com o primeiro subscrito descrevendo a direção do campo elétrico de acordo com a tensão aplicada ou carga produzida. O segundo subscrito fornece a direção do estresse mecânico.
O coeficiente de acoplamento eletromecânico ocorre em duas formas. O primeiro é o termo de atuação d, e o segundo é o sensor termo g. Os coeficientes piezoelétricos juntamente com suas notações podem ser explicados com d33
Onde,
d especifica que a tensão aplicada está na 3ª direção.
3 especifica que os eletrodos são perpendiculares ao 3º eixo.
3 especifica a constante piezoelétrica.
Como funciona o material piezoelétrico?
Como explicado acima, os materiais piezoelétricos podem funcionar em dois modos :
- O efeito piezoelétrico direto
- Efeito piezoelétrico inverso
Vamos dar um exemplo para cada um para entender a aplicação desses modos.
Gerador Heal-Strike usando efeito piezoelétrico direto:
DARPA desenvolveu este dispositivo para equipar os soldados com um gerador portátil de energia. O material piezoelétrico implantado nos sapatos sofre estresse mecânico quando o soldado caminha. Devido ao direto propriedade piezoelétrica , o material produz carga elétrica devido a esse estresse mecânico. Esta cobrança é armazenada em o capacitor ou baterias que, assim, podem ser usados para carregar seus dispositivos eletrônicos em movimento.
Heal Strike Generator
Oscilador de cristal de quartzo em relógios usando efeito piezoelétrico Converse
Os relógios contêm um cristal de quartzo . Quando a eletricidade da bateria é aplicada a este cristal por meio de um circuito, ocorre o efeito piezoelétrico inverso. Devido a este efeito, após a aplicação de carga elétrica, o cristal começa a oscilar com uma frequência de 32.768 vezes por segundo. O microchip presente no circuito conta essas oscilações e gera um pulso regular por segundo que gira os segundos ponteiros do relógio.
Efeito Piezo Converse Usado Em Relógios
Usos de materiais piezoelétricos
Devido ao seu único características, materiais piezoelétricos adquiriram um papel importante em várias invenções tecnológicas.
Uso de efeito piezoelétrico direto
- Nas estações de trem do Japão, o conceito de “ fazenda multidão ”Foi testado onde os passos dos pedestres nos ladrilhos piezoelétricos embutidos na estrada podem gerar eletricidade.
- Em 2008, uma boate em Londres constrói o primeiro andar ecológico feito de material piezoelétrico que pode gerar eletricidade para acender lâmpadas quando as pessoas dançam nele.
- O efeito piezoelétrico encontra aplicação útil como filtros de frequência mecânica, dispositivos de ondas acústicas de superfície , dispositivos de ondas acústicas em massa, etc ...
- Microfones e alto-falantes de som e ultrassom, imagem ultrassônica , hidrofones.
- Pickups piezoelétricos para guitarras, biossensores para ligar o marcapasso.
- Elementos piezoelétricos também são usados na detecção e geração de ondas de sonar, eixo único e eixo duplo detecção de inclinação .
Efeito piezoelétrico de RoadWays
Usos do Efeito Piezoelétrico Converse
- Atuadores e motores
- Colocação e ajustes de microprecisão em lentes de microscópios.
- Driver de agulha em impressoras, motores miniaturizados, atuadores bimorfos.
- Atuadores multicamadas para posicionamento preciso em óptica
- Sistemas de injeção em válvulas automotivas de combustível, etc ...
Efeito piezoelétrico como micro-ajuste na câmera
Por Acoplamento de Campos Elétricos e Mecânicos:
- Para investigação da estrutura atomística dos materiais.
- Para monitorar a integridade estrutural e detectar falhas nos estágios iniciais em estruturas civis, industriais e aeroespaciais.
Vantagens e limitações dos materiais piezoelétricos
As vantagens e limitações dos materiais piezoelétricos incluem o seguinte.
Vantagens
- Os materiais piezoelétricos podem operar em qualquer condição de temperatura.
- Eles têm baixo pegada de carbono tornando-os a melhor alternativa para combustível fóssil.
- As características desses materiais os tornam os melhores coletores de energia.
- A energia não utilizada perdida na forma de vibrações pode ser aproveitada para gerar energia verde.
- Esses materiais podem ser reaproveitados.
Limitações
- Ao trabalhar com vibrações, esses dispositivos são propensos a captar vibrações indesejadas também.
- Resistência e durabilidade aplicam limites aos dispositivos quando usados para extrair energia de pavimentos e estradas.
- A incompatibilidade entre a rigidez do material piezoelétrico e o material do pavimento.
- Detalhes menos conhecidos desses dispositivos e a quantidade de pesquisas feitas até o momento não são suficientes para explorar o uso total desses dispositivos.
Como está sendo dito 'A necessidade é a mãe da invenção', nossa necessidade de um dispositivo de coleta de energia de baixa pegada de carbono e sem pressa trouxe materiais piezoelétricos no centro das atenções novamente. Como esses materiais podem superar suas limitações? Estamos caminhando em direção a um futuro em que, em vez de nos preocuparmos com a quantidade de combustível gasto para viajar, ficaremos apenas pensando na quantidade de potência que nosso carro gerou? O que você acha? Aqui está uma pergunta para você, qual o melhor material piezoelétrico?
