Piezoelettricità

Un disco piezoelettrico genera una differenza di potenziale quando deformato (la variazione volumetrica è volutamente esagerata in questa rappresentazione)

La piezoelettricità (la parola deriva dal greco πιέζειν, premere, comprimere) è la proprietà di alcuni cristalli di generare una differenza di potenziale quando sono soggetti ad una deformazione meccanica. Tale effetto è reversibile e si verifica su scale dell'ordine dei nanometri.

Il funzionamento di un cristallo piezoelettrico è abbastanza semplice: quando viene applicata una pressione (o decompressione) esterna, si posizionano, sulle facce opposte, cariche di segno opposto. Il cristallo, così, si comporta come un condensatore al quale è stata applicata una differenza di potenziale. Se le due facce vengono collegate tramite un circuito esterno, viene quindi generata una corrente elettrica detta corrente piezoelettrica. Al contrario, quando si applica una differenza di potenziale al cristallo, esso si espande o si contrae.

Dal punto di vista della struttura cristallina, i materiali piezoelettrici hanno normalmente varie configurazioni geometriche equivalenti dal punto di vista dell'energia, cioè della stabilità del sistema, ma orientate diversamente. Ad esempio il titanato di bario (BaTiO₃) ha una cella di forma romboidale che può allungarsi lungo uno qualsiasi dei tre assi principali. Per fargli acquisire proprietà piezoelettriche il materiale viene riscaldato e immerso in un campo elettrico in modo da farlo polarizzare e raffreddare. Alla fine del processo il materiale ha tutte le celle deformate nella stessa direzione; è importante notare che solo lungo questa direzione si hanno proprietà piezoelettriche. Al contrario, quando si applica una differenza di potenziale al cristallo, esso si espande o si contrae lungo un asse determinato provocando una vibrazione anche violenta. L’espansione volumetrica è facilmente pilotabile ed è strettamente dipendente dalla stimolazione elettrica.

Applicazioni industriali, consumer e scientifiche

La caratteristica di produrre una differenza di potenziale in seguito alla compressione ha diverse applicazioni industriali. La più comune riguarda i normali accendigas da cucina, dove un cristallo sottoposto manualmente a pressione tramite un tasto fa scoccare una scintilla senza bisogno di pile di alimentazione. L'invenzione dell'accendigas piezoelettrico da cucina (Flint) risale al 1968 per opera di un ingegnoso friulano, Lisio Plozner, fondatore della Bpt (Brevetti Plozner Torino), azienda attiva ancor oggi nella ricerca di prodotti e soluzioni per il miglioramento del comfort abitativo.

I materiali piezoelettrici vengono inoltre impiegati nella costruzione degli elementi elastici, organi fondamentali di alcuni strumenti atti alla misurazione delle vibrazioni meccaniche, detti strumenti sismici. Le vibrazioni meccaniche producono uno spostamento, velocità ed accelerazione di un ulteriore dispositivo massivo, detto massa sismica. La massa sismica è rigidamente collegata all'elemento elastico. Uno strumento di questo tipo largamente impiegato è l'accelerometro al quarzo piezoelettrico: si tratta in sostanza di un trasduttore che dà come grandezza in uscita una tensione elettrica proporzionale alla deformazione subita dall'elemento elastico, a sua volta proporzionale all'accelerazione dalla massa sismica.

Un'applicazione analoga trova spazio in ambito musicale, dove si utilizzano i cosiddetti pick-up piezoelettrici, dispositivi in grado di rilevare le variazioni di pressione esercitate da una corda in vibrazione di uno strumento musicale generando un segnale elettrico che poi viene amplificato.

Altri strumenti in cui tali materiali vengono usati sono i microfoni, il più noto dei quali è il microfono al quarzo, il cui funzionamento si basa sul rilevamento delle onde sonore che sono determinate dal susseguirsi di zone di compressione e rarefazione del mezzo in cui si propagano; tali onde di pressione, captate dal microfono, determinano una variazione di potenziale proporzionale alla variazione della capacità (in effetti la piastrina di quarzo può essere paragonata appunto ad un capacitore, a causa della separazione delle cariche elettriche localizzate in zone prossime alle superfici inferiore e superiore). Tale variazione di tensione è poi filtrata e amplificata mediante una catena di misura; eventualmente sul segnale così purificato viene effettuato un campionamento per trasmetterlo dal dominio fisico a quello digitale. Questa applicazione si trova nei microfoni dei telefoni.

In maniera opposta ai microfoni, i materiali piezoelettrici trovano applicazione come altoparlante (nelle vecchie radio "a cristallo" erano frequenti gli auricolari piezoelettrici), funzionando in maniera opposta, le cui onde sonore vengono generate a seconda della differenza di potenziale ivi applicata.

Un altro tipico materiale piezoelettrico, è la galena, usata come rilevatore nelle radio a galena (in seguito rimpiazzate dai diodi al germanio), che funzionavano senza bisogno di batterie o generatori di forza elettromotrice.

Materiali con proprietà piezoelettriche vengono inoltre utilizzati in alcuni rivelatori di pressione e per realizzare oscillatori al quarzo, tuttavia la relazione tra compressione e tensione è generalmente molto variabile e richiede una taratura per ogni dispositivo.

Altri strumenti in cui i materiali piezoelettrici vengono usati sono gli orologi; ancora una volta il materiale più usato è il quarzo: sono molto diffusi gli orologi al quarzo piezoelettrico, strumenti in cui la compressione periodica del materiale determina una variazione altrettanto periodica della tensione. Il periodo o la frequenza del segnale in uscita opportunamente trattato, viene usato come unità base per contare il tempo; il segnale elettrico, a dire il vero, viene inviato ad una successione di circuiti detti divisori di frequenza, così da poter scegliere un segnale di tensione alla voluta frequenza (in effetti il segnale all'uscita del sistema lamina di quarzo ha una frequenza elevata, normalmente per gli orologi è pari a 32768 cicli al secondo; per tale motivo vengono usati i circuiti divisori di frequenza che, se posti in serie, sono in grado di ridurre la frequenza). Il segnale elettrico cosi ridotto viene infine inviato ad un contatore elettronico, attraverso il quale è possibile, se il comando è esterno, misurare l'intervallo di tempo intercorso tra due eventi oppure, se si basa sul conteggio del numero dei picchi di tensione, è in grado di determinare il numero degli eventi in un certo periodo di tempo fissato.

L'effetto piezoelettrico viene inoltre utilizzato per azionare il moto degli utensili nelle lavorazioni meccaniche ad ultrasuoni e, recentemente, negli iniettori diretti dei motori a scoppio e nelle testine delle stampanti Epson in cui tanti piccoli ugelli allineati, spruzzano l'inchiostro compresso dalla spinta della propria pompa piezo.

Applicazioni in campo medico

• Sonde Ecografiche - I cristalli piezoelettrici vengono usati come attuatori e sensori in fase combinata. In effetti le sonde ecografiche funzionano come dei piccoli sonar producendo l'ultrasuono e attraverso sensori trasformano l'eco di ritorno in immagini.

• Litotritori - La vibrazione contemporanea di centinaia di elementi piezoceramici disposti su una superficie concava, o su layer concentrici, genera un’onda d’urto di potenza dipendente dalla curvatura della superficie e dal numero di elementi impiegati.

Grazie all’estrema modularità dell’impulso ottenibile, alcuni litotritori piezoelettrici possono anche variare la dimensione focale permettendo di selezionare volumi efficaci più adatti alla patologia in trattamento. Disponendo layer piezoelettrici concentrici vengono raggiunte densità di energia di oltre 1,6 mj/mm2 e valori assai superiori nei litotritori piezoelettrici dedicati all’urologia. I cristalli di nuova generazione assicurano una longevità del generatore che supera di norma i 6.000.000 di colpi senza decrescere di potenza o richiedere l’utilizzo di materiale consumabile.

La versatilità della distribuzione dei cristalli ha permesso inoltre di ottenere volumi focali non solo di dimensioni differenti, ma anche con morfologie dedicate:

• Onde focalizzate a volume ellissoidale (trattamenti ESWT – ESWL – TPST)
• Onde focalizzaste a volume lineare (trattamenti ESWT – medicina Estetica)
• Onde de focalizzate/planare (trattamenti ESWT - Ulcere cutanee).

• Piezochirurgia - Piezosurgery è la nuova applicazione in campo medico che permette di sfruttare le onde ultrasoniche generate tramite un apparecchio piezoelettrico per la chirurgia ossea. Degli speciali inserti permettono di sezionare o tagliare il tessuto osseo preservando al massimo i tessuti molli di cui sono costituite alcune parti nobili quali i nervi, le arterie o le membrane. Questa tecnologia si sta diffondendo molto nel settore dentale grazie alla possibilità di intervenire in zone delicate con la minima invasività chirurgica, soprattutto in implantologia.

Voci correlate

• Effetto piroelettrico
• Trasduttore piezoelettrico

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• (EN) [1]
• (EN) Piezoelectric Effect