Disponiamo di materiali specifici adatti per applicazioni di piezoelettricità, ma come funziona esattamente il processo?Con l'effetto piezoelettrico.La caratteristica più singolare di questo effetto è che funziona in due modi.È possibile applicare energia meccanica o energia elettrica allo stesso materiale piezoelettrico e ottenere un risultato opposto.
L'applicazione di energia meccanica a un cristallo è chiamata effetto piezoelettrico diretto e funziona così:
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Un cristallo piezoelettrico è posto tra due lastre di metallo.A questo punto il materiale è in perfetto equilibrio e non conduce corrente elettrica.
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La pressione meccanica viene quindi applicata al materiale dalle piastre metalliche, che forzano le cariche elettriche all'interno del cristallo a sbilanciarsi.Le cariche negative e positive in eccesso compaiono sui lati opposti della faccia del cristallo.
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La piastra metallica raccoglie queste cariche, che possono essere utilizzate per produrre una tensione e inviare una corrente elettrica attraverso un circuito.
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Ecco fatto, una semplice applicazione di pressione meccanica, la spremitura di un cristallo e all'improvviso si ha una corrente elettrica.Puoi anche fare il contrario, applicando un segnale elettrico a un materiale come effetto piezoelettrico inverso.Funziona così:
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Nella stessa situazione dell'esempio sopra, abbiamo un cristallo piezoelettrico posto tra due lastre di metallo.La struttura del cristallo è in perfetto equilibrio.
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L'energia elettrica viene quindi applicata al cristallo, che si restringe ed espande la struttura del cristallo.
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Man mano che la struttura del cristallo si espande e si contrae, converte l'energia elettrica ricevuta e rilascia energia meccanica sotto forma di onda sonora.
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L'effetto piezoelettrico inverso viene utilizzato in una varietà di applicazioni.Prendiamo ad esempio un altoparlante, che applica una tensione a una ceramica piezoelettrica, facendo vibrare il materiale nell'aria sotto forma di onde sonore.
La scoperta della piezoelettricità
La piezoelettricità fu scoperta per la prima volta nel 1880 da due fratelli e scienziati francesi, Jacques e Pierre Curie.Durante la sperimentazione con una varietà di cristalli, hanno scoperto che l'applicazione di una pressione meccanica a cristalli specifici come il quarzo rilasciava una carica elettrica.Lo chiamavano effetto piezoelettrico.
I successivi 30 anni videro la piezoelettricità riservata in gran parte agli esperimenti di laboratorio e all'ulteriore perfezionamento.Non è stato fino alla prima guerra mondiale quando la piezoelettricità è stata utilizzata per applicazioni pratiche nel sonar.Il sonar funziona collegando una tensione a un trasmettitore piezoelettrico.Questo è l'effetto piezoelettrico inverso in azione, che converte l'energia elettrica in onde sonore meccaniche.

Le onde sonore viaggiano attraverso l'acqua finché non colpiscono un oggetto.Quindi tornano a un ricevitore sorgente.Questo ricevitore utilizza l'effetto piezoelettrico diretto per convertire le onde sonore in una tensione elettrica, che può quindi essere elaborata da un dispositivo di elaborazione del segnale.Usando il tempo tra quando il segnale è partito e quando è tornato, la distanza di un oggetto può essere facilmente calcolata sott'acqua.
Con il sonar un successo, la piezoelettricità ha guadagnato gli occhi avidi dei militari.La seconda guerra mondiale fece progredire ulteriormente la tecnologia mentre ricercatori provenienti da Stati Uniti, Russia e Giappone lavoravano per creare nuovi materiali piezoelettrici artificiali chiamati ferroelettrici.Questa ricerca ha portato a due materiali artificiali che vengono utilizzati insieme al cristallo di quarzo naturale, al titanato di bario e al titanato di zirconato di piombo.
La piezoelettricità oggi
Nel mondo odierno dell'elettronica la piezoelettricità è usata ovunque.Chiedere a Google indicazioni stradali per un nuovo ristorante utilizza la piezoelettricità nel microfono.C'è persino una metropolitana a Tokyo che utilizza il potere dei passi umani per alimentare strutture piezoelettriche nel terreno.Troverai la piezoelettricità utilizzata in queste applicazioni elettroniche:
Attuatori
Gli attuatori utilizzano la piezoelettricità per alimentare dispositivi come macchine per maglieria e braille, videocamere e smartphone.In questo sistema, una piastra metallica e un dispositivo attuatore racchiudono insieme un materiale piezoelettrico.La tensione viene quindi applicata al materiale piezoelettrico, che lo espande e lo contrae.Questo movimento fa muovere anche l'attuatore.

Altoparlanti e cicalini
Gli altoparlanti utilizzano la piezoelettricità per alimentare dispositivi come sveglie e altri piccoli dispositivi meccanici che richiedono capacità audio di alta qualità.Questi sistemi sfruttano l'effetto piezoelettrico inverso convertendo un segnale di tensione audio in energia meccanica sotto forma di onde sonore.

Autisti
I driver convertono una batteria a bassa tensione in una tensione più elevata che può quindi essere utilizzata per pilotare un dispositivo piezoelettrico.Questo processo di amplificazione inizia con un oscillatore che emette onde sinusoidali più piccole.Queste onde sinusoidali vengono quindi amplificate con un amplificatore piezoelettrico.

Sensori
I sensori sono utilizzati in una varietà di applicazioni come microfoni, chitarre amplificate e apparecchiature di imaging medicale.In questi dispositivi viene utilizzato un microfono piezoelettrico per rilevare le variazioni di pressione nelle onde sonore, che possono quindi essere convertite in un segnale elettrico per l'elaborazione.

Energia
Una delle applicazioni più semplici per la piezoelettricità è l'accendisigari elettrico.Premendo il pulsante dell'accendino si rilascia un martello caricato a molla in un cristallo piezoelettrico.Questo produce una corrente elettrica che attraversa uno spinterometro per riscaldare e accendere il gas.Questo stesso sistema di alimentazione piezoelettrico viene utilizzato nei bruciatori a gas più grandi e nelle gamme di forni.

Motori
I cristalli piezoelettrici sono perfetti per le applicazioni che richiedono una precisione precisa, come il movimento di un motore.In questi dispositivi, il materiale piezoelettrico riceve un segnale elettrico, che viene poi convertito in energia meccanica per forzare il movimento di una lastra di ceramica.

Piezoelettricità e futuro
Cosa riserva il futuro per la piezoelettricità?Le possibilità abbondano.Un'idea popolare che gli inventori stanno lanciando è usare la piezoelettricità per la raccolta di energia.Immagina di avere nel tuo smartphone dei dispositivi piezoelettrici che potrebbero essere attivati dal semplice movimento del tuo corpo per mantenerli carichi.
Pensando un po' più in grande, si potrebbe anche incorporare un sistema piezoelettrico sotto la pavimentazione autostradale che può essere attivato dalle ruote dei vagoni.Questa energia potrebbe quindi essere utilizzata per accendere i semafori e altri dispositivi nelle vicinanze.Abbinalo a una strada piena di auto elettriche e ti ritroverai in una situazione di energia positiva netta.