Materiais piezoelétricos (geração de energia) | Construpedia
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Materiais piezoelétricos (geração de energia)
Introdução
Em geral
Piezoeletricidade (do grego piezo, πιέζω, "apertar ou apertar") é um fenômeno que ocorre em certos cristais que, quando submetidos a esforços mecânicos, adquirem uma polarização elétrica em sua massa, surgindo uma diferença de potencial e cargas elétricas em sua superfície. Os cristais de quartzo se comportam de forma semelhante aos tanques LC, e também são conhecidos como “Ressonador de Cristal”), com a vantagem de serem capazes de gerar frequências de oscilação estáveis e insensíveis.
Esse fenômeno também ocorre ao contrário: eles se deformam sob a ação de forças internas quando submetidos a um campo elétrico. O efeito piezoelétrico é normalmente reversível: quando os cristais não estão mais sujeitos a uma tensão externa ou campo elétrico, eles recuperam a sua forma.
Os materiais piezoelétricos são cristais naturais ou sintéticos que não possuem centro de simetria. Uma compressão ou cisalhamento causa a dissociação (dissociação (química)) dos centros de gravidade das cargas elétricas, tanto positivas quanto negativas. Como consequência, dipolos elementares aparecem na massa e, por influência, surgem cargas de sinais opostos nas superfícies opostas.
Piroeletricidade
Em 1824, Sir David Brewster demonstrou efeitos piezoelétricos usando sal de La Rochelle,[1] decidindo nomear o efeito de piroeletricidade.[2].
Grupos de materiais piezoelétricos
Existem dois grupos de materiais:
História dos materiais piezoelétricos
A propriedade da piezoeletricidade foi observada pela primeira vez por Pierre e Jacques Curie em 1881 estudando a compressão do quartzo. Ao submetê-lo à ação mecânica de compressão, as cargas da matéria são separadas. Isso causa uma polarização da carga, o que faz com que faíscas voem.
Para que a propriedade da piezoeletricidade ocorra na matéria, ela deve cristalizar-se em sistemas que não possuem um centro de simetria (que possuem dissimetria) e, portanto, um eixo polar. Das 32 classes cristalinas, o referido centro não existe em 21. Em 20 destas classes ocorre a propriedade piezoelétrica, em maior ou menor grau. Gases, líquidos e sólidos com simetria não possuem piezoeletricidade.
Materiais piezoelétricos (geração de energia)
Introdução
Em geral
Piezoeletricidade (do grego piezo, πιέζω, "apertar ou apertar") é um fenômeno que ocorre em certos cristais que, quando submetidos a esforços mecânicos, adquirem uma polarização elétrica em sua massa, surgindo uma diferença de potencial e cargas elétricas em sua superfície. Os cristais de quartzo se comportam de forma semelhante aos tanques LC, e também são conhecidos como “Ressonador de Cristal”), com a vantagem de serem capazes de gerar frequências de oscilação estáveis e insensíveis.
Esse fenômeno também ocorre ao contrário: eles se deformam sob a ação de forças internas quando submetidos a um campo elétrico. O efeito piezoelétrico é normalmente reversível: quando os cristais não estão mais sujeitos a uma tensão externa ou campo elétrico, eles recuperam a sua forma.
Os materiais piezoelétricos são cristais naturais ou sintéticos que não possuem centro de simetria. Uma compressão ou cisalhamento causa a dissociação (dissociação (química)) dos centros de gravidade das cargas elétricas, tanto positivas quanto negativas. Como consequência, dipolos elementares aparecem na massa e, por influência, surgem cargas de sinais opostos nas superfícies opostas.
Piroeletricidade
Em 1824, Sir David Brewster demonstrou efeitos piezoelétricos usando sal de La Rochelle,[1] decidindo nomear o efeito de piroeletricidade.[2].
Grupos de materiais piezoelétricos
Existem dois grupos de materiais:
História dos materiais piezoelétricos
A propriedade da piezoeletricidade foi observada pela primeira vez por Pierre e Jacques Curie em 1881 estudando a compressão do quartzo. Ao submetê-lo à ação mecânica de compressão, as cargas da matéria são separadas. Isso causa uma polarização da carga, o que faz com que faíscas voem.
Se for exercida pressão nas extremidades do eixo polar, ocorre a polarização: o fluxo de elétrons é direcionado para uma extremidade e gera uma carga negativa, enquanto uma carga positiva é induzida na extremidade oposta.
Quando são utilizadas lâminas de vidro estreitas e com grande área superficial, a alta tensão obtida – necessária para o salto da faísca – é maior. As folhas estreitas são cortadas de modo que o eixo polar cruze as faces perpendicularmente.
A corrente gerada é proporcional à área da placa e à taxa de variação da pressão aplicada ortogonalmente "Ortogonalidade (matemática)") à superfície da placa.
Outra aplicação importante da piezoeletricidade resulta do cumprimento da propriedade inversa:
A primeira aplicação prática da piezoeletricidade, que surge da qualidade de transformação de um sinal mecânico (pressão) em sinal elétrico (corrente elétrica), é a do sonar.
No final da Primeira Guerra Mundial descobriu-se que as ondas sonoras produzidas pelos submarinos podiam ser detectadas por um pedaço de quartzo submerso na água, no qual eram medidas as correntes geradas e permitia detectar a direção proveniente do som.
O sonar consiste em uma sonda (piezoelétrica) que é um transdutor; Ou seja: funciona de acordo com a seguinte sequência de eventos:
Classes cristalinas de substâncias contendo piezoeletricidade
Dentro dos 32 grupos cristalográficos existem 21 que não possuem centro de simetria. Destes, cerca de 20 exibem diretamente piezoeletricidade (o número 21 é da classe cúbica 432). Dez deles são polares; Ou seja: apresentam polarização instantânea, pois sua célula unitária contém um dipolo elétrico, e o material apresenta piroeletricidade. Destes – quando a direção do dipolo pode ser invertida pela aplicação de um campo elétrico – alguns também são ferroelétricos. As classes cristalográficas são:
Equações de piezoeletricidade
As equações constitutivas dos materiais piezoelétricos combinam tensões, deformações e comportamento elétrico:
D é a densidade do fluxo elétrico, é a permissividade e E é o campo elétrico:.
S é a deformação e T é a tensão.
Estas equações podem ser combinadas em uma única equação onde a relação entre carga e deformação é considerada:.
d representa as constantes piezoelétricas do material, e o sobrescrito E indica que a magnitude é medida sob campo elétrico constante ou zero, e o sobrescrito T indica que é uma forma transposta da matriz "Matriz (matemática)").
Isso pode ser reescrito em forma de matriz assim:.
Usos
Um dos usos mais difundidos desse tipo de cristal é em isqueiros elétricos. No interior eles têm um cristal piezoelétrico que o mecanismo de ignição atinge repentinamente. Esse golpe forte provoca uma alta concentração de carga elétrica, capaz de criar um arco elétrico ou faísca, que acende o isqueiro.
Outra aplicação importante de um cristal piezoelétrico é seu uso como sensor de vibração. Cada uma das variações de pressão produzidas pela vibração provoca um pulso de corrente proporcional à força exercida.
Uma vibração mecânica foi facilmente convertida em um sinal elétrico pronto para ser amplificado. Basta conectar um cabo elétrico a cada uma das faces “Face (geometria)” do cristal e enviar este sinal para um amplificador. Por exemplo, em captadores piezoelétricos#Pizoelectric_pickups "Pickup (instrumento elétrico)") de guitarra.
Uma aplicação adicional muito importante da piezoeletricidade, mas neste caso o contrário, ocorre nos injetores de combustível dos motores de combustão interna. Ao aplicar uma diferença de potencial a um material piezoelétrico, o injetor é aberto, o que permite que o combustível, em altíssima pressão, entre no cilindro. A utilização de injetores piezoelétricos permite controlar, com enorme precisão, os tempos de injeção e a quantidade de combustível introduzida no motor. Isto resulta em melhorias no consumo, características e desempenho de diferentes motores.
Para que a propriedade da piezoeletricidade ocorra na matéria, ela deve cristalizar-se em sistemas que não possuem um centro de simetria (que possuem dissimetria) e, portanto, um eixo polar. Das 32 classes cristalinas, o referido centro não existe em 21. Em 20 destas classes ocorre a propriedade piezoelétrica, em maior ou menor grau. Gases, líquidos e sólidos com simetria não possuem piezoeletricidade.
Se for exercida pressão nas extremidades do eixo polar, ocorre a polarização: o fluxo de elétrons é direcionado para uma extremidade e gera uma carga negativa, enquanto uma carga positiva é induzida na extremidade oposta.
Quando são utilizadas lâminas de vidro estreitas e com grande área superficial, a alta tensão obtida – necessária para o salto da faísca – é maior. As folhas estreitas são cortadas de modo que o eixo polar cruze as faces perpendicularmente.
A corrente gerada é proporcional à área da placa e à taxa de variação da pressão aplicada ortogonalmente "Ortogonalidade (matemática)") à superfície da placa.
Outra aplicação importante da piezoeletricidade resulta do cumprimento da propriedade inversa:
A primeira aplicação prática da piezoeletricidade, que surge da qualidade de transformação de um sinal mecânico (pressão) em sinal elétrico (corrente elétrica), é a do sonar.
No final da Primeira Guerra Mundial descobriu-se que as ondas sonoras produzidas pelos submarinos podiam ser detectadas por um pedaço de quartzo submerso na água, no qual eram medidas as correntes geradas e permitia detectar a direção proveniente do som.
O sonar consiste em uma sonda (piezoelétrica) que é um transdutor; Ou seja: funciona de acordo com a seguinte sequência de eventos:
Classes cristalinas de substâncias contendo piezoeletricidade
Dentro dos 32 grupos cristalográficos existem 21 que não possuem centro de simetria. Destes, cerca de 20 exibem diretamente piezoeletricidade (o número 21 é da classe cúbica 432). Dez deles são polares; Ou seja: apresentam polarização instantânea, pois sua célula unitária contém um dipolo elétrico, e o material apresenta piroeletricidade. Destes – quando a direção do dipolo pode ser invertida pela aplicação de um campo elétrico – alguns também são ferroelétricos. As classes cristalográficas são:
Equações de piezoeletricidade
As equações constitutivas dos materiais piezoelétricos combinam tensões, deformações e comportamento elétrico:
D é a densidade do fluxo elétrico, é a permissividade e E é o campo elétrico:.
S é a deformação e T é a tensão.
Estas equações podem ser combinadas em uma única equação onde a relação entre carga e deformação é considerada:.
d representa as constantes piezoelétricas do material, e o sobrescrito E indica que a magnitude é medida sob campo elétrico constante ou zero, e o sobrescrito T indica que é uma forma transposta da matriz "Matriz (matemática)").
Isso pode ser reescrito em forma de matriz assim:.
Usos
Um dos usos mais difundidos desse tipo de cristal é em isqueiros elétricos. No interior eles têm um cristal piezoelétrico que o mecanismo de ignição atinge repentinamente. Esse golpe forte provoca uma alta concentração de carga elétrica, capaz de criar um arco elétrico ou faísca, que acende o isqueiro.
Outra aplicação importante de um cristal piezoelétrico é seu uso como sensor de vibração. Cada uma das variações de pressão produzidas pela vibração provoca um pulso de corrente proporcional à força exercida.
Uma vibração mecânica foi facilmente convertida em um sinal elétrico pronto para ser amplificado. Basta conectar um cabo elétrico a cada uma das faces “Face (geometria)” do cristal e enviar este sinal para um amplificador. Por exemplo, em captadores piezoelétricos#Pizoelectric_pickups "Pickup (instrumento elétrico)") de guitarra.
Uma aplicação adicional muito importante da piezoeletricidade, mas neste caso o contrário, ocorre nos injetores de combustível dos motores de combustão interna. Ao aplicar uma diferença de potencial a um material piezoelétrico, o injetor é aberto, o que permite que o combustível, em altíssima pressão, entre no cilindro. A utilização de injetores piezoelétricos permite controlar, com enorme precisão, os tempos de injeção e a quantidade de combustível introduzida no motor. Isto resulta em melhorias no consumo, características e desempenho de diferentes motores.