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La piezoelettricità fu scoperta da due fratelli di scienziati francesi, Jacques e Pierre Curie, nel 1880., Hanno scoperto la piezoelettricità dopo essersi resi conto che la pressione applicata al quarzo o anche ad alcuni certi cristalli crea una carica elettrica in quel determinato materiale.1 In seguito si riferirono a quel fenomeno strano e scientifico come l’effetto piezoelettrico.
I fratelli Curie scoprirono presto l’effetto piezoelettrico inverso. È stato dopo che hanno verificato che quando un campo elettrico è stato applicato sui cavi di cristallo, ha portato alla malformazione o al disturbo del piombo di cristallo—ora chiamato effetto piezoelettrico inverso.,
Il termine piezoelettricità deriva dalla parola greca piezo che significa spremere o premere. È interessante notare che elettrico in greco significa ambra. Anche l’ambra era una fonte di carica elettrica.2
Oggi molti dispositivi elettronici utilizzano la piezoelettricità. Ad esempio, quando si utilizza un qualche tipo di software di riconoscimento vocale, o anche Siri sullo smartphone, il microfono che si sta parlando in è probabilmente utilizzando piezoelettricità. Quel cristallo piezo trasforma l’energia sonora nella tua voce e la trasforma in segnali elettrici per il tuo computer o il tuo telefono da interpretare.,3 Che tutto diventa possibile con piezoelettricità.
La creazione di varie tecnologie più avanzate può essere ricondotta alla scoperta della piezoelettricità. Ad esempio, il potente sonar “sonobuoy” piccoli microfoni sensibili e il trasduttore di tono audio in ceramica sono stati resi possibili dalla piezoelettricità. Oggi stiamo assistendo allo sviluppo di sempre più materiali e dispositivi piezoelettrici.
Effetto piezoelettrico diretto
Come detto, la compressione di un materiale piezoelettrico produce elettricità (piezoelettricità). Figura 1 spiega il concetto.
1., L’effetto piezoelettrico avviene attraverso la compressione di un materiale piezoelettrico.
Il materiale piezoceramico—ceramica piezoelettrica non conduttiva o cristallo-è posto tra le due piastre metalliche. Per la piezoelettricità da generare, ha bisogno che il materiale sia compresso o schiacciato. Lo stress meccanico applicato al materiale ceramico piezoelettrico genera elettricità.
Come mostrato in Fig. 1, c’è un potenziale di tensione attraverso il materiale. Le due piastre metalliche sandwich il cristallo piezoelettrico. Le piastre metalliche raccolgono le cariche, che crea / produce tensione( simbolo del fulmine), cioè,, piezoelettricità. In questo modo, l’effetto piezoelettrico agisce come una batteria in miniatura, perché produce elettricità. Questo è l’effetto piezoelettrico diretto. I dispositivi che utilizzano l’effetto piezoelettrico diretto includono microfoni, sensori di pressione, idrofoni e molti altri tipi di dispositivi di rilevamento.
Effetto piezoelettrico inverso
L’effetto piezoelettrico può essere invertito, che viene indicato come effetto piezoelettrico inverso. Questo viene creato applicando la tensione elettrica per far restringere o espandere un cristallo piezoelettrico (Fig. 2)., L’effetto piezoelettrico inverso converte l’energia elettrica in energia meccanica.
2. L’inversione dell’effetto piezoelettrico, chiamato effetto piezoelettrico inverso, è quando la tensione viene applicata per ridurre o espandere un cristallo piezoelettrico.
Utilizzando l’effetto piezoelettrico inverso può aiutare a sviluppare dispositivi che generano e producono onde sonore acustiche. Esempi di dispositivi acustici piezoelettrici sono altoparlanti (comunemente presenti nei dispositivi palmari) o cicalini., Il vantaggio di avere tali altoparlanti è che sono molto sottili, il che li rende utili in una gamma di telefoni. Anche gli ultrasuoni medici e i trasduttori sonar utilizzano l’effetto piezoelettrico inverso. I dispositivi piezoelettrici inversi non acustici includono motori e attuatori.
Materiali piezoelettrici
I materiali piezoelettrici sono materiali che possono produrre elettricità a causa di sollecitazioni meccaniche, come la compressione. Questi materiali possono anche deformarsi quando viene applicata la tensione (elettricità).
Tutti i materiali piezoelettrici sono non conduttivi in modo che l’effetto piezoelettrico si verifichi e funzioni., Possono essere separati in due gruppi: cristalli e ceramiche.4
Alcuni esempi di materiali piezoelettrici sono PZT (noto anche come titanato di zirconato di piombo), titanato di bario e niobato di litio. Questi materiali artificiali hanno un effetto più pronunciato (materiale migliore da usare) rispetto al quarzo e ad altri materiali piezoelettrici naturali.
Confronta PZT al quarzo. PZT può produrre più tensione per la stessa quantità di sollecitazioni meccaniche applicate. Al contrario, l’applicazione di tensione a PZT invece di quarzo fornisce più movimento., Il quarzo, un noto materiale piezoelettrico, è anche il primo materiale piezoelettrico noto.
PZT viene creato e prodotto (a temperature elevate) con due elementi chimici—piombo e zirconio—e combinato con un composto chimico chiamato titanato. La formula chimica di PZT è (PbO3). È comunemente usato per produrre trasduttori ad ultrasuoni, condensatori ceramici e altri sensori e attuatori. Manifesta anche una gamma speciale di proprietà diverse. Nel 1952, PZT è stato prodotto da Tokyo Institute of Technology.,5
Il titanato di bario è un materiale ceramico ferroelettrico con proprietà piezoelettriche.6 Per questo motivo, il titanato di bario è stato utilizzato come materiale piezoelettrico più a lungo della maggior parte degli altri. La sua formula chimica è BaTiO3. Il titanato di bario è stato scoperto nel 1941 durante la seconda guerra mondiale. 7
Il niobato di litio è un composto che combina ossigeno, litio e niobio. La sua formula chimica è LiNbO3. 8 Anche un materiale ceramico ferroelettrico è proprio come il titanato di bario in quanto ha anche proprietà piezoelettriche.,9
Dispositivi piezoelettrici
Sonar
Il sonar, che arrivò nel 1900, fu inventato da Lewis Nixon. Inizialmente ha sviluppato il sonar per aiutare a rilevare gli iceberg. L’interesse per il sonar è aumentato durante la prima guerra mondiale, però, per aiutare a localizzare sottomarini sott’acqua. Naturalmente, sonar ha molti scopi e usi oggi, dalla localizzazione dei pesci alla navigazione subacquea e così via.
3. Con il sonar piezoelettrico, un trasmettitore che utilizza l’effetto piezoelettrico inverso invia un’onda sonora per cercare oggetti avanti.,
In Figura 3, sonar sta inviando, tramite trasmettitore, un’onda sonora (segnale) per cercare gli oggetti avanti. Il trasmettitore utilizza l’effetto piezoelettrico inverso, che è quando il trasmettitore utilizzerà la tensione per aiutarlo a inviare un’onda sonora. Una volta che l’onda sonora colpisce un oggetto, si riprenderà. L’onda sonora che rimbalza verrà rilevata dal ricevitore.
Il ricevitore, a differenza del trasmettitore, utilizza l’effetto piezoelettrico diretto. Il dispositivo piezoelettrico del ricevitore viene compresso dall’onda sonora di ritorno., Invia il segnale (tensione) all’elettronica di elaborazione del segnale, che prenderà quell’onda sonora rimbalzata e inizierà a elaborarla. Determinerà la distanza dell’oggetto calcolando i segnali di temporizzazione dal trasmettitore e dal ricevitore.
Attuatori piezoelettrici
La figura 4 mostra il funzionamento di un attuatore piezoelettrico. La base rimane ferma e agisce come la piastra metallica che tramezzina il materiale piezoelettrico medio. Quindi la tensione viene applicata al materiale, che si espande e si contrae dal campo elettrico della tensione applicata., Il cristallo piezoelettrico si muove molto poco, sia in avanti che indietro. Una volta che il materiale piezoelettrico o cristallo si muove, spinge lentamente e tira l’attuatore.
4. In un attuatore piezoelettrico, la tensione viene applicata al materiale piezoelettrico, causando espansione e contrazione.
L’attuatore piezoelettrico ha molti usi e applicazioni. Ad esempio, le macchine per maglieria e le macchine braille utilizzano questi attuatori, poiché hanno una quantità così piccola di parti mobili e un design molto semplice., Possono anche essere trovati in videocamere e telefoni cellulari, perché sono dimostrati più abili come meccanismo di messa a fuoco automatica.10
Altoparlanti piezoelettrici e cicalini
Altoparlanti piezoelettrici e cicalini utilizzano l’effetto piezoelettrico inverso per generare e produrre suono. Quando la tensione viene applicata a altoparlanti e cicalini, crea onde sonore (Fig. 2, di nuovo). Un segnale di tensione audio applicato alla ceramica piezoelettrica di altoparlanti o cicalini farà vibrare il materiale nell’aria. Quella vibrazione produce onde sonore, che escono dall’altoparlante.,
Gli altoparlanti piezoelettrici sono comunemente usati nelle sveglie o in altri piccoli dispositivi meccanici per generare suoni audio semplici e di alta qualità. Questo perché sono limitati a una piccola quantità di risposta in frequenza.11
Driver piezoelettrici
I driver piezoelettrici possono convertire la bassa tensione della batteria in alta tensione per alimentare i dispositivi piezoelettrici. I driver piezoelettrici sono molto importanti, perché aiutano gli ingegneri a produrre più tensione per creare onde sinusoidali più grandi.
5., Un driver piezo converte bassa tensione della batteria a tensione superiore, che viene utilizzato per alimentare un amplificatore che guida il dispositivo. Un oscillatore immette piccole onde sinusoidali che l’amplificatore trasforma in onde sinusoidali più grandi.
Figura 5 è un diagramma a blocchi che illustra il funzionamento piezo-driver. I driver piezo avranno una bassa tensione della batteria e utilizzeranno un booster per convertirlo in una tensione più elevata. La tensione più alta viene quindi utilizzata per alimentare l’amplificatore. L’oscillatore introdurrà piccole onde sinusoidali, che l’amplificatore cambierà in onde sinusoidali di tensione più grandi. L’amplificatore aziona il dispositivo piezoelettrico.,
The table below lists of several different companies that sell and produce various kinds of piezo drivers.
1. http://www.piezo.com/tech4history.html
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity
3. http://www.explainthatstuff.com/piezoelectricity.html
4. http://www.piezomaterials.com/
5. https://www.americanpiezo.com/piezo-theory/pzt.html
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Barium_titanate
7. http://ceramics.org/wp-content/uploads/2009/03/elec_division_member_papers1.pdf
8. https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_niobate
9. http://www.inradoptics.com/products/non-linear-crystals/lithium-niobate-linbo3
10. https://www.americanpiezo.com/piezo-theory/actuators.html
11., http://www.edisontechcenter.org/speakers.html#sound