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

O que é piezoeletricidade

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.

Como funciona a energia piezoelétrica

A energia piezoelétrica é gerada através 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. Esse efeito pode ser explorado para converter energia mecânica em energia elétrica. Aqui estão os passos básicos do processo:

Deformação mecânica

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.

Geração de carga elétrica

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.

Geração de tensão elétrica

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

Captura e armazenamento da energia

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 baterias.

Utilização da energia

A energia armazenada pode ser usada para alimentar dispositivos eletrônicos ou carregar baterias, dependendo da aplicação.

Origem da piezoeletricidade

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:

1880: os irmãos franceses Jacques Curie e Pierre Curie foram os primeiros a descreverem o efeito piezoelétrico. Eles descobriram que certos cristais, como o quartzo, geravam eletricidade quando eram submetidos a pressão mecânica. Além disso, observaram o efeito inverso, no qual a aplicação de uma corrente elétrica causava deformação no cristal.
1881: o físico francês Gabriel Lippmann ampliou o trabalho dos irmãos Curie, explorando mais detalhes sobre o efeito piezoelétrico em cristais. Ele cunhou o termo "piezoelétrico" para descrever o fenômeno.
1930: o físico alemão Woldemar Voigt desenvolveu a teoria matemática que explicava o comportamento piezoelétrico em cristais, contribuindo para uma compreensão mais aprofundada do fenômeno.
1940: durante e após a Segunda Guerra Mundial, a pesquisa e desenvolvimento em materiais piezoelétricos se intensificaram, impulsionados pelo aumento da demanda por dispositivos piezoelétricos em diversas aplicações tecnológicas, como transdutores e sensores.

Entenda o desenvolvimento

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:

Durante a Segunda Guerra Mundial, houve uma demanda crescente por materiais piezoelétricos para aplicações militares, como sonares. Os cientistas e engenheiros começaram a explorar cerâmicas que exibiam propriedades piezoelétricas mais aprimoradas, e os primeiros compostos cerâmicos, como titanato de bário (BaTiO₃), foram investigados nessa época.
A pesquisa intensificou-se na busca por cerâmicas piezoelétricas mais eficientes e estáveis. Na década de 1950, cerâmicas como o titanato de chumbo zirconato de titânio (PZT) ganharam destaque devido às suas excelentes propriedades piezoelétricas.
Na década de 1960, os materiais à base de PZT, especialmente com composições específicas, tornaram-se os mais amplamente utilizados devido à sua alta sensibilidade piezoelétrica, estabilidade e versatilidade em diversas aplicações.

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:

Q = d . D

Onde:

Q é a carga piezoelétrica,
d é o coeficiente piezoelétrico, que representa a capacidade do material de converter deformação mecânica em carga elétrica,
D é a deformação mecânica aplicada.

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:

V = d . D

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

Onde:

E é a energia piezoelétrica,
Q é a carga piezoelétrica,
t é o tempo.

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.

Exemplos de materiais piezoelétricos

Existem vários materiais que exibem propriedades piezoelétricas. Alguns dos materiais piezoelétricos mais comuns incluem:

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.

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