Cristais piezoelétricos

O que coisas comuns em sua vida como as impressoras a jato de tinta, os alto-falantes, guitarras elétricas e imagens por ultrassom têm em comum? Todos precisam de um dispositivo piezoelétrico para funcionar. Considerando o quanto essa propriedade é importante para muitos componentes e é relativamente pouco estudada nos cursos de engenharia de materiais, resolvemos abordá-la no post de hoje. Mostraremos a vocês o que é piezoeletricidade, quais os tipos e porque ela é encontrada apenas em alguns tipos de materiais cristalinos.

A piezoeletricidade tem origem do termo grego piezein, que significa pressionar, e da palavra eletricidade, que todos nós conhecemos. Pela origem da palavra, fica claro haver uma relação entre características mecânicas (pressão, tensão, solicitação mecânica) e elétricas (da palavra eletricidade) e de fato é isso o que acontece: O fenômeno é basicamente a transformação de energia de origem mecânica em elétrica e vice-e-versa. A piezoeletricidade é presente em diversos materiais cristalinos e pode ser dita direta ou inversa. O efeito direto é quando a aplicação de um esforço mecânico sobre o material provoca uma modificação na polarização elétrica do material, isto é, uma diferença de potencial. Já o inverso consiste na aplicação de um campo elétrico que culmina em uma deformação do material. O esquema abaixo representa o efeito inverso, onde se pode constatar que ao fechar o circuito (figura da direita), o material sofre uma deformação devido a uma solicitação de caráter elétrico, e não mecânico. Isso é o que torna a piezoeletricidade tão interessante.

Piezoeletricidade inversa.

Essa característica, como mencionado no parágrafo anterior, é encontrada apenas em alguns tipos de materiais cristalinos. Por quê? Isso pode ser explicado pelo fato de o fenômeno ser originário da estrutura cristalina do material. Ele pode estar presente em 20 das 32 classes de cristal, mas sempre relacionado a uma simetria não central, como podemos ver no cristal de perovskita abaixo:

Célula unitária de perovskita (CaTiO₃).

Observem que o íon de titânio não se encontra exatamente no centro da estrutura cristalina e é isso o que a torna tão especial. Como está deslocado em relação ao centro, o titânio gera uma não neutralidade elétrica no cristal, forma-se uma polaridade elétrica. Com isso, a célula unitária comporta-se como um dipolo elétrico. Quando há aplicação de um esforço mecânico, há uma alteração na posição desses íons de titânio, o que provoca uma modificação na intensidade da polarização do material, influenciando na diferença de potencial medida (efeito direto). Da mesma forma, a aplicação de um campo elétrico também permite modificar a posição do íon de titânio, levando a uma distorção da célula unitária e consequentemente a variação da dimensão do material como um todo (efeito inverso). Além da perovskita, a piezoeletricidade é encontrada também no quartzo e em cerâmicas à base de titanato de bário ou zirconato de chumbo, por exemplo.

Algumas aplicações comuns dessa classe de materiais é em acelerômetros, atuadores e transdutores, através do efeito inverso. Aliás, as ondas de ultrassom são também são originárias de um efeito piezoelétrico inverso. Já os sensores são um exemplo de produto originário do efeito direto, que também vem sendo estudado para aplicações na produção de energia elétrica. O uso de materiais piezoelétricos em ruas e estradas poderia, por exemplo, gerar eletricidade de forma barata a partir da pressão causada pela movimentação dos carros e demais veículos.

Disco piezoelétrico originando uma diferença de potencial após ser deformado (efeito direto). 

Incrível, não é?

Referências:

Piezoelectric Materials: Crystal Orientation and Poling Direction;

What is piezoelectricity?

Piezoeletricidade.