Curso de Energia Solar no Mercado Livre de Energia (ACL)

O que é piezoeletricidade, a sua origem e como ela funciona

A piezoeletricidade é uma carga elétrica gerada em certos sólidos devido ao estresse mecânico. Esse efeito é conhecido como efeito piezoelétrico. A energia
piezoelétrica é frequentemente explorada em dispositivos que convertem
movimentos mecânicos, vibrações ou pressões em energia elétrica, como sensores autossustentáveis,
sistemas de coleta de energia em ambientes industriais e, em algumas situações,
em aplicações de geração de energia em escala micro ou nano.

Materiais
piezoelétricos, como cristais cerâmicos, quartzo, e certos polímeros, possuem a
capacidade de gerar uma polarização elétrica quando são deformados
mecanicamente. Essa polarização elétrica pode ser detectada como uma diferença
de potencial através do material. Da mesma forma, se uma tensão elétrica for
aplicada ao material, ele pode se deformar mecanicamente, um fenômeno conhecido
como efeito inverso piezoelétrico.

A
piezoeletricidade é comumente utilizada em uma variedade de aplicações
tecnológicas, como transdutores ultrassônicos, sensores de pressão, atuadores,
microfones piezoelétricos e dispositivos de ignição em isqueiros
piezoelétricos. O efeito piezoelétrico também é explorado em alguns campos da
pesquisa, como na geração de energia a partir de movimentos mecânicos e na
coleta de energia de vibrações ambientais.

A energia piezoelétrica funciona através da geração do aproveitamento do efeito piezoelétrico em certos materiais. O fenômeno piezoelétrico envolve a geração de uma carga elétrica quando um material piezoelétrico é submetido a uma deformação mecânica.&nbsp;

Esse efeito pode ser explorado para converter <a href="https://www.portalsolar.com.br/energia-mecanica">energia mecânica</a> em<a href="https://www.portalsolar.com.br/energia-eletrica-o-que-e"> energia elétrica</a>.&nbsp;

Aqui estão os passos básicos do processo de piezoeletricidade:

Quando um
material piezoelétrico, como um cristal cerâmico ou quartzo, é submetido a uma
pressão ou deformação mecânica, ocorre uma mudança em sua estrutura cristalina.

A
deformação provoca o deslocamento de íons no interior do material, resultando
na geração de uma carga elétrica. Essa carga é geralmente coletada nas
superfícies do material piezoelétrico.

A carga
elétrica gerada cria uma diferença de potencial, ou seja, uma tensão elétrica
nas extremidades do material.

A tensão
elétrica gerada pode ser coletada por eletrodos posicionados nas superfícies do
material piezoelétrico. Essa energia elétrica pode então ser armazenada em
dispositivos como capacitores ou <a href="https://www.portalsolar.com.br/bateria-solar-residencial">baterias</a>.

A <a href="https://www.portalsolar.com.br/armazenamento-de-energia-solar-fotovoltaica">energia
armazenada</a> pode ser usada para alimentar dispositivos eletrônicos ou carregar baterias,
dependendo da aplicação.

A
descoberta da piezoeletricidade remonta ao final do século XIX. O efeito
piezoelétrico foi observado e documentado por diversos cientistas ao longo
dessa época. Aqui estão alguns marcos importantes:

Entendendo o desenvolvimento da piezoeletricidade

As
cerâmicas piezoelétricas são materiais cerâmicos que exibem propriedades
piezoelétricas, ou seja, são capazes de gerar uma carga elétrica quando
submetidas a uma pressão mecânica. Esses materiais são utilizados em uma
variedade de aplicações, incluindo transdutores ultrassônicos, sensores,
atuadores e dispositivos piezoelétricos em geral.

O
desenvolvimento de cerâmicas piezoelétricas está relacionado à busca por
materiais eficientes e práticos que exibam o efeito piezoelétrico. Aqui estão
alguns marcos no desenvolvimento das cerâmicas piezoelétricas:

Desde
então, houve esforços contínuos para aprimorar as propriedades das cerâmicas
piezoelétricas, buscando melhorar a eficiência, estabilidade e a faixa de
operação em diversas condições ambientais. 

O
desenvolvimento de cerâmicas piezoelétricas envolve tanto a pesquisa de novos
materiais quanto o aprimoramento das propriedades dos materiais existentes.
Esse trabalho tem permitido a fabricação de dispositivos piezoelétricos mais
eficientes e adaptados a uma ampla gama de aplicações.

Como
é a fórmula da energia piezoelétrica?

A energia piezoelétrica não possui uma fórmula única, pois a quantidade
de energia gerada depende de vários fatores, incluindo as propriedades do
material piezoelétrico, a magnitude da deformação mecânica, a eficiência do
sistema de conversão de energia, entre outros. No entanto, pode-se descrever o
processo de conversão de energia piezoelétrica em termos de variáveis
específicas. Vamos considerar alguns elementos principais:

Deformação Mecânica (D): Representa a magnitude da deformação mecânica
aplicada ao material piezoelétrico.

Tensão Piezoelétrica (V): Refere-se à tensão elétrica gerada como
resultado da deformação mecânica. Essa tensão é geralmente medida nas
extremidades do material piezoelétrico.

Carga Piezoelétrica (Q): Representa a carga elétrica gerada no material
piezoelétrico devido à deformação mecânica.

A relação básica entre essas variáveis pode ser expressa através da
seguinte equação:

Essa
equação descreve o efeito piezoelétrico direto, onde a carga elétrica gerada é
proporcional à deformação mecânica. Para descrever a tensão piezoelétrica, você pode usar a seguinte relação:

A quantidade total de energia piezoelétrica gerada dependerá da carga piezoelétrica acumulada ao longo do tempo e pode ser calculada pela seguinte equação:

Essas
equações fornecem uma visão geral do processo de conversão de energia piezoelétrica,
mas na prática, a eficiência do sistema e outros fatores também influenciam a
quantidade final de energia aproveitável.

Saiba mais sobre <a href="https://www.portalsolar.com.br/tipos-de-energia">outros tipos de energia e suas transformações</a>

Exemplos de materiais piezoelétricos incluem: quartzo, titanato de bário, titanato de chumbo e zircônio (PZT), nitreto de alumínio, turmalina, topázio, sal de Rochelle, e cristais de glicina.

Quartzo
(SiO₂): o quartzo é um cristal
mineral natural que é amplamente utilizado em dispositivos piezoelétricos
devido às suas propriedades piezoelétricas estáveis e bem conhecidas.

Titanato de
Bário (BaTiO₃): este é um composto
cerâmico que exibe fortes propriedades piezoelétricas. Pode ser utilizado em
uma variedade de aplicações, incluindo transdutores e sensores.

Titanato de
Chumbo Zirconato de Titânio (PZT): esta é uma classe de cerâmicas
piezoelétricas muito comum, composta principalmente de titanato de chumbo,
zirconato de chumbo e titânio. PZT é frequentemente utilizado devido à sua alta
sensibilidade e versatilidade em diversas aplicações.

Poli(vinilideno
fluoreto) (PVDF): este é um polímero que exibe propriedades piezoelétricas.
PVDF é flexível e leve, sendo utilizado em sensores e dispositivos que requerem
materiais piezoelétricos flexíveis.

Cristais
Piezoelétricos de Langatato (LTS): LTS é um material piezoelétrico sintético
que foi desenvolvido para ter propriedades piezoelétricas aprimoradas em
comparação com alguns materiais naturais.

Poli(vinilideno
trifluoreto) (PVTF): semelhante ao PVDF, este polímero também exibe
propriedades piezoelétricas e é usado em aplicações flexíveis e sensíveis.

Conheça a piezoeletricidade e saiba como ela é usada para gerar energia