Piezoelettricità
Che cos'è la piezoelettricità?
Vuoi sapere che cos'è la piezoelettricità?
Vuoi sapere a cosa è dovuto l'effetto piezoelettrico e quali sono i suoi campi di applicazione?
Vuoi conoscere la differenza tra l'effetto piezoelettrico diretto e l'effetto piezoelettrico inverso?
Se si continua con la lettura dell'articolo.
Con il termine di piezoelettricità (dal greco πιέζειν = "premere" o "comprimere") si intende la differenza di potenziale che insorge fra due facce di particolari cristalli in seguito a sollecitazioni meccaniche.
Il fenomeno, noto come effetto piezoelettrico diretto, fu osservato dai fratelli Curie nel 1880.
Poco dopo si osservò anche l'effetto piezoelettrico inverso, consistente nella comparsa di deformazioni meccaniche, constatata nei cristalli che presentano effetto piezoelettrico diretto, sotto l'influenza di una differenza di potenziale.
Differenza tra l'effetto piezoelettrico diretto e l'effetto piezoelettrico inverso.
Come cambia il segno della differenza di potenziale quando si inverte il senso della sollecitazione meccanica che la produce, così cambia il senso della deformazione prodotta quando cambia il segno della differenza di potenziale applicata.
Cristalli piezoelettrici
La condizione necessaria perché si verifichi l'effetto piezoelettrico è la mancanza di un centro di simmetria nella struttura cristallina.
Delle 32 classi cristallografiche, 21 non hanno centro di simmetria e, con l'eccezione di una, tutte queste sono piezoelettriche.
Nei cristalli delle classi di minor simmetria, qualsiasi tipo di sollecitazione genera polarizzazione elettrica, mentre nei cristalli aventi simmetria maggiore solo particolari sollecitazioni possono produrre l'effetto piezoelettrico. Nei suddetti cristalli (non conduttori) la piezoelettricità viene interpretata come un'alterazione dell'equilibrio dei momenti di dipoli elettrici permanenti.
Da tale alterazione dell'equilibrio deriva uno stato di polarizzazione elettrica per effetto delle sollecitazioni meccaniche e uno stato di deformazione per effetto dell'azione del campo elettrico sui dipoli.
Per un dato cristallo, l'asse di polarizzazione dipende dalla natura della sollecitazione. Non esiste alcuna classe di cristalli nei quali la polarizzazione piezoelettrica sia limitata a un unico asse, ma in parecchie classi la polarizzazione è limitata a un unico piano.
La pressione idrostatica produce polarizzazione piezoelettrica nei cristalli di quelle 10 classi che presentano anche polarizzazione elettrica prodotta da variazioni di temperatura (piroelettricità).
Le deformazioni piezoelettriche che possono essere indotte da un campo elettrico statico sono molto piccole, eccetto in certi materiali ferroelettrici. Deformazioni maggiori si possono ottenere impiegando una tensione alternata, con frequenza uguale a quella di risonanza meccanica del cristallo.
Effetto piezoelettrico inverso
L'effetto piezoelettrico inverso è una conseguenza termodinamica dell'effetto piezoelettrico diretto. Quando un campo elettrico esterno K induce una polarizzazione P in un cristallo piezoelettrico, questo presenta una piccola deformazione S proporzionale a P.
Riassunto sulla piezoelettricità.
In cristalli con comportamento piezoelettrico normale, la polarizzazione P è proporzionale al campo elettrico K e di conseguenza la deformazione è proporzionale al campo K.
Quando un campo elettrico esterno K induce una polarizzazione P in un cristallo piezoelettrico, questo presenta una piccola deformazione S proporzionale a P. Nella immagine la deformazione è stata, per maggiore chiarezza, volutamente esagerata.
Sovrapposta alla deformazione piezoelettrica S c'è anche una deformazione molto più piccola proporzionale a P2 (o K2). Questo fenomeno, presente in ogni dielettrico e indipendente dall'inversione del campo, è detto elettrostrizione.
Materiali piezoelettrici
I principali materiali piezoelettrici sono i cristalli di quarzo e il sale di Rochelle, anche se quest'ultimo è però ormai sostituito da altri materiali, come il titanato di bario.
Il sale di Rochelle (tartrato di sodio e potassio) presenta grande effetto piezoelettrico ma si decompone ad alta temperatura (55 °C) e deve essere protetto dall'umidità.
Formula di struttura del tartrato di sodio e potassio (sale di Rochelle).
Il titanato di bario ha sensibilità inferiore ma più grande immunità dagli effetti della temperatura e dell'umidità.
Altri cristalli usati sono, per esempio, la tormalina, il fosfato d'ammonio biidrogenato, il tartrato di etilendiammina.
Accanto a questi materiali vanno ricordate anche le ceramiche di titanato-zirconato di piombo, che sono rapidamente diventate, per le elevate prestazioni, i materiali di impiego più vantaggioso per la produzione di trasduttori piezoelettrici.
Il piombo-zirconato di titanio (PZT), il quarzo e la tormalina sono tre esempi di materiali piezoelettrici.
Notevoli progressi si sono avuti anche nella produzione di semiconduttori piezoelettrici (ossido di zinco, solfuro di cadmio, seleniuro di cadmio).
Applicazioni
L'effetto piezoelettrico diretto si presta alla realizzazione di trasduttori, in quanto consente di convertire deformazioni meccaniche in segnali elettrici e l'effetto inverso pure, in quanto consente di convertire segnali elettrici in deformazioni (vibrazioni) meccaniche.
L'effetto di elettrostrizione (quando si ricorra a materiali ceramici) viene sfruttato nei trasduttori elettronici per applicazioni soniche e ultrasoniche.
I materiali piezoelettrici trasparenti sono anche stati usati (fino a frequenze di 25 GHz) per la modulazione di fasci laser (per esempio, si sono usati il fosfato biacido di potassio, KH2PO4, e quello di ammonio, (NH4)H2PO3).
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