Pesquisa sobre Piezoeletricos

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Materiais Piezoeletricos

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Pesquisa sobre Piezoeletricos

  1. 1. Efeito Piezoelétrico O efeito piezoelétrico, fundamental para o desenvolvimento da ultrassonografia em medicina, foi descoberto por Pierre e Jacques Curie em 1880 e consiste na variação das dimensões físicas de certos materiais sujeitos a campos elétricos. O contrário (efeito piezoelétrico reverso) também ocorre, ou seja, a aplicação de pressões que causam variações nas dimensões de materiais piezoelétricos provocam o aparecimento de campos elétricos neles. Um outro método de gerar movimentos ultrassônicos é pela passagem de eletricidade sobre metais especiais, criando vibrações e produzindo calor intenso durante o uso. Este efeito é chamado de magnetoestritivo. As ondas ultrassônicas são geradas por transdutores ultrassônicos, também chamados simplesmente de transdutores. De um modo geral, um transdutor é um dispositivo que converte um tipo de energia em outro. Os transdutores ultrassônicos convertem energia elétrica em energia mecânica e vice-versa. Esses transdutores são feitos de materiais piezoelétricos que apresentam um fenômeno chamado efeito piezoelétrico. Ao se colocar um material piezoelétrico num campo elétrico, as cargas elétricas da rede cristalina interagem com o mesmo e produzem tensões mecânicas. O cristal, para ser usado como transdutor, deve ser cortado de forma que um campo elétrico alternado, quando nele aplicado, produza variações em sua espessura. Dessa variação resulta um movimento nas faces do cristal, originando as ondas sonoras. Cada transdutor possui uma freqüência de ressonância natural, tal que quanto menor a espessura do cristal, maior será a sua freqüência de vibração. O mesmo transdutor que emite o sinal ultrassônico pode funcionar como detector, pois os ecos que voltam a ele produzem vibração no cristal, fazendo variar suas dimensões físicas que, por sua vez, acarretam o aparecimento de um campo elétrico. Esse campo gera sinais que podem ser amplificados e mostrados em um osciloscópio ou registrador. http://www.fetalmed.net/item/efeito-piezoeletrico.html
  2. 2. Como funcionam os materiais piroelétricos e piezoelétricos (ART632) Este artigo sempre será atual, pois analisa de forma didática o princípio de funcionamento de dois tipos de materiais muito usados na eletrônica. Estes materiais são a base de diversos tipos de sensores e transdutores, e por isso é muito importante para todos que praticam eletrônica conhecer o seu princípio de funcionamento. Os materiais com propriedades piroelétricas e piezoelétricas são cada vez mais usados em aplicações eletrônicos da robótica e da mecatrônica. Essas aplicações vão desde sensores e transdutores até ressonadores que determinam a freqüência de operação de instrumentos de medida, cronômetros e relógios e, principalmente, microprocessadores. Veja neste artigo o que são os materiais piroelétricos e piezoelétricos entendendo melhor o funcionamento dos dispositivos em que eles são utilizados. As propriedades piroelétricas e piezoelétricas dos materiais são devidas à natureza de sua estrutura cristalina. Assim, se um cristal não possui um centro de simetria que possibilite uma inversão de posição de seus átomos, propriedades elétricas interessantes podem se manifestar. Estes cristais manifestam um momento elétrico ou vetor de polarização, mesmo na ausência de campos elétricos externos, conforme mostra a figura 1. Vetores de polarização de um cristal. Quando um material apresenta esta característica temos duas possibilidades. MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS A primeira é a que está presente nos materiais que se tornam polarizados quando ocorre uma deformação homogênea. Essa é uma propriedade que caracteriza os denominados materiais PIEZOELÉTRICOS, conforme mostra a figura 2.
  3. 3. Carecterísticas do material piezoelétrico. O que ocorre então é que o material manifestará um campo elétrico interno sob a ação de forças que o deformam. Da mesma forma, o efeito inverso, denominado eletrostrição, ocorre com este material: quando o submetemos a um campo elétrico ele se deforma. As variações das dimensões do material com a ação do campo elétrico mudam muito, e também depende da orientação do eixo de simetria do material. Isso significa que aplicando um campo elétrico através de placas fixadas na superfície de um cristal piezoelétrico pode-se obter diversos tipos de deformações. Dentre os materiais que apresentam essas propriedades podemos citar o cristal de quartzo, o sal de Rochelle, o titanato de bário, além de outros. No caso específico do cristal de quartzo, se o excitarmos com placas de metal formando assim um capacitor e usarmos uma corrente de alta freqüência, formam-se ondas estacionárias na freqüência de ressonância, conforme mostra a figura 3. Cristais de quartzo: ondas estacionárias na freqüência de ressonância. Esta freqüência de ressonância, na qual o cristal tenderá a oscilar depende das dimensões do cristal e da sua orientação. Isso significa que podemos usar este dispositivo como um preciso controle de freqüência, cujo valor depende de diversos fatores, como as dimensões do cristal, sua orientação e sua forma de vibração, já que as ondas estacionárias podem ocorrer também em freqüências harmônicas. Dizemos neste caso que o cristal opera em sobretons ou harmônicas. O cristal de quartzo é formado por átomos de silício e oxigênio numa estrutura do tipo mostrado na figura 4.
  4. 4. Estrutura cristalina de um cristal de quartzo. O aparecimento de um campo elétrico nesse material ocorre quando ele é comprimido ou distendido no sentido longitudinal, deslocando as cargas positivas em relação as cargas negativas. O deslocamento das cargas numa célula do cristal é extremamente pequeno, da ordem de 10 elevado ao expoente negativo -24 centímetros, o que torna extremamente difícil a realização de medidas. MATERIAIS PIROELÉTRICOS Os materiais piroelétricos constituem-se num grupo especial de materiais piezoelétricos que são polarizados naturalmente nas condições naturais de temperatura e pressão. No entanto, o grau de polarização do material muda sensivelmente com a temperatura, daí sua denominação ("piros" significa fogo em grego). Um material comum que apresenta propriedades piroelétricas é a turmalina. Veja que, enquanto nos materiais piezoelétricos o campo elétrico se manifesta somente quando ocorre a deformação, nos materiais piroelétricos o campo está sempre presente. Nos materiais piroelétricos, o campo elétrico interno presente é muito intenso, de modo que sua polarização não pode ser alterada facilmente por meios externos. De acordo com o as teorias do eletromagnetismo, uma região em que os átomos estejam com momentos magnéticos orientados igualmente ou paralelos, é denominada domínio.
  5. 5. Este mesmo termo pode ser aplicado à eletrostática no caso da região em que os momentos elétricos dos dipolos elementares sejam paralelos. Existem diversas substâncias que, da mesma forma que são os imãs para o magnetismo, apresentam multidomínios elétricos, sendo por isso denominadas (como analogia) de "ferroelétricas" (em contrapartida as substâncias ferromagnéticas, que apresentam as mesmas propriedades mas em relação aos campos magnéticos), conforme mostra a figura 5. Substâncias ferroelétricas apresentam multidomínios elétricos. O interessante é que a analogia entre as substâncias ferroelétricas e ferromagnéticas vai mais longe: ambas possuem uma histerese elevada, constante dielétrica muito alta e, além disso, possuem um ponto Curie, ou seja, existe uma temperatura limite que ultrapassada, faz com que elas percam suas propriedades. Dentre as substâncias que apresentam as propriedades piroelétricas podemos citar o Titanato de Bário (BaTi3), que aos 120 graus centígrados perde estas propriedades (ponto Curie), tornando-se um dielétrico comum. Acima dos 120 graus o cristal tem um domínio único com o átomo de Titânio no centro do cubo conforme mostra a figura 6.
  6. 6. Cristal de titanato de bário em temperatura acima de 120 graus Célsios. Quando a temperatura cai para menos de 120 graus, ocorre uma transição de fase que muda esta disposição. Uma das dimensões do cubo se torna 1% mais curta que a outra e com isso a figura se transforma num tetraedro. Com isso, o átomo de titânio é deslocado levemente no interior passando a ocupar uma posição fora de seu centro. Diversas regiões do material se tornam então domínios com diferentes orientações. Isso é suficiente para criar um vetor de polarização que se manifesta na forma de um campo elétrico natural no interior do material. Se o cristal for resfriado abaixo dos 10 graus centígrados, novamente temos outra transformação de fase e o material deixa de ser piroelétrico. USOS Tanto os materiais piezoelétricos como piroelétricos encontram diversas aplicações práticas na eletrônica. Já falamos dos cristais de quartzo, mas podemos citar outros exemplos de aplicações para os piezoelétricos. Uma delas é em transdutores que convertem sinais elétricos em sons e vice-versa. Na figura 7 temos um transdutor piezoelétrico de titanato de bário muito usado em sistemas de aviso, brinquedos, cartões musicais, chamadas de celulares, etc.
  7. 7. Exemplar de um transdutor de titanato de bário (BaTi3) Uma cerâmica piezoelétrica de titanato de bário é excitada por dois eletrodos metálicos, colocados um em cada uma de suas faces. Quando um sinal é aplicado a este transdutor, o campo criado provoca deformações correspondentes na cerâmica, fazendo-a vibrar fortemente e assim gerar som na freqüência correspondente. Veja que o dispositivo funciona como um capacitor, apresentando assim uma elevada impedância, e que a deformação e portanto a intensidade do som, dependem da intensidade do campo aplicado e ainda da tensão entre os eletrodos que funcionam como armaduras de um capacitor. Nos tweeters piezoelétricos um pequeno transformador eleva a tensão aplicada aos eletrodos, de modo que ela atinja valores muito altos resultando numa intensidade sonora elevada. Como o efeito inverso, ou seja, com a deformação é gerada uma tensão, ocorre que estes materiais podem ser usados também como microfones ou sensores de batidas. Para os materiais piroelétricos a principal aplicação é como sensor de calor. Pequenas variações de temperatura, que ocorrem com a incidência de radiação infravermelha, alteram sensivelmente a polarização do material. Assim, os sensores de incêndio, passagem de pessoas, abertura automática de portas, ou mesmo alarmes do tipo mostrado na figura 8, usam esse tipo de sensor. Exemplar de um alarme com sensor piroelétrico.
  8. 8. Na figura 9 temos o sensor piroelétrico típico encontrado nesses dispositivos e que funciona da seguinte maneira: Sensor Piroelétrico Todo corpo acima do zero absoluto emite radiação infravermelha. Isso significa que animais de sangue quente, como nós, são emissores naturais de radiação infravermelha com uma intensidade um pouco maior do que os corpos que nos rodeiam, e que normalmente são mais frios. Assim, basta ajustar a sensibilidade dos sensores para disparar com uma intensidade de infravermelho um pouco maior do que a existente no ambiente, para que a simples passagem de uma pessoa diante dele provoque seu disparo. Nos dispositivos práticos de modo a selecionar os comprimentos de onda apropriados evitando assim um excesso de sensibilidade, aumentando o ângulo de percepção são usadas lentes especiais denominadas "lentes de Fresnel". A figura 10 mostra um circuito típico de um sensor piroelétrico.
  9. 9. Circuito típico para um sensor piroelétrico. É importante observar que tais sensores são extremamente delicados exigindo-se um cuidado especial no seu manuseio. Como as variações de tensões, que ocorrem na presença do calor que deve ser detectado, são muito pequenas circuitos amplificadores de alto ganho são necessários para sua utilização. http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/4571-art632 Metal piezoelétrico Músculos de metal para robôs miniaturizados ou para pequenas próteses. Esta é uma das visões que poderão se tornar realidade graças a uma descoberta feita pelo laboratório alemão Forschungszentrum Karlsruhe. Os cientistas criaram um novo material metálico, à base de platina, mas com nanoporos. O novo material se expande e se contrai sob a ação de uma corrente elétrica. Desta forma, o material converte diretamente energia elétrica em mecânica e vice-versa. Este o mesmo comportamento dos materiais piezoelétricos, como o cristal de quartzo e as cerâmicas piezoelétricas. Mas o novo material agora desenvolvido, além de poder custar mais barato, trabalha com voltagens mais baixas. É a primeira vez que alterações macroscópicas de comprimento, visíveis e mensuráveis, foram observadas em um material metálico, com tão baixa corrente. O efeito piezoelétrico poderá ser utilizado em atuadores (converte eletricidade em energia mecânica) e em transdutores (converte energia mecânica em energia elétrica). Isto permite a construção de chaves e controles, indicadores diretos de voltagens e uma série de outros sensores. A conversão direta de eletricidade em energia mecânica pode ser utilizada para a criação de "músculos metálicos" que darão movimento a pequenos robôs ou mesmo a próteses humanas. Mas as aplicações possíveis do material passam ainda por válvulas microscópicas, ótica adptativa e materiais inteligentes capazes de alterar seu formato conforme a necessidade. O efeito de transdução pode ser utilizado, por exemplo, em sensores que disparam o "air-bag" dos automóveis. A platina nanoparticulada foi produzida a partir da evaporação de platina pura em um ambiente fechado com gás nobre. Ao condensar-se a platina forma partículas de menos do que 5 nanômetros de tamanho. Estas partículas foram então compactadas, formando um bloco poroso. Este bloco sólido foi mergulhado em um eletrólito, um fluido condutivo, que preencheu as cavidades.
  10. 10. Quando o bloco é submetido a uma corrente elétrica, o fluido condutivo encarrega-se de fazer a eletricidade chegar a cada nanopartícula do sólido. A corrente elétrica altera as cargas do eletrólito. Como resultado, cargas elétricas são também induzidas nas superfícies das nanopartículas, alterando o número de elétrons dos átomos dessas nanopartículas, o que altera sua identidade química. Em princípio, este efeito é bem conhecido pela física dos semicondutores. De fato, este é o princípio de funcionamento dos transistores de efeito de campo (FET), um dos elementos básicos dos circuitos integrados. A grande novidade consiste no fato de que, ao se utilizar um metal, a carga induzida não é espalhada sobre uma ampla área como no caso dos semicondutores. Ao contrário, a carga permanece confinada em uma estreita zona próxima à superfície. Nessa região, a densidade de cargas é muito mais alta do que nos semicondutores. O excesso de carga pode chegar até um elétron por átomo (a mais ou a menos). Isto significa que se torna possível, em princípio, alterar de forma reversível os átomos da superfície, em termos de suas características químicas, de um número atômico para cima ou para baixo. Este processo não tinha sido feito até hoje por métodos físicos. Como a estrutura dos elétrons determina praticamente todas as propriedades físicas do material, descobriu-se na verdade uma forma totalmente nova de se produzir materiais com características ajustáveis, e de maneira reversível. Por exemplo, poderá ser possível a construção de materiais com características óticas e magnéticas alteráveis. Nos experimentos até agora efetuados, o efeito foi utilizado para alterar a ligação atômica dos átomos da superfície do material. Neste caso, os átomos da superfície tendem a se mover para posições mais próximas ou mais distantes dos seus vizinhos. Em contraste com os sólidos macroscópicos, o compartamento das nanopartículas é principalmente ditada pelo comportamento de suas superfícies. Isto fez com que a alteração das distâncias dos átomos causasse o aumento ou a diminuição de cada partícula como um todo. Em decorrência, com a alteração do tamanho de todas as nanopartículas, alterou-se também o tamanho de todo o sólido. Alterações nas dimensões do sólido de 0,15% foram conseguidas com a aplicação de tensões menores do que um volt. http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010160030509 Piezoeletricidade Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre. Piezoeletricidade é a capacidade de alguns cristais gerarem tensão elétrica por resposta a uma pressão mecânica. O termo piezoeletricidade provém do grego (piezein), que significa, apertar/pressionar. Referente a geração de corrente elétrica, juntou-se a designação eletricidade, de modo que piezoeletricidade é interpretado como a produção de energia elétrica devido a compressão sobre determinados materiais.
  11. 11. Mecanismo[editar] Um disco piezoelétrico gera uma voltagem quando deformado. O efeito piezoelétrico é entendido como a interação eletromecânica linear entre o força mecânica e o estado elétrico (forças de Coulomb) em materiais cristalinos (cerâmicos, polímeros). O efeito piezoelétrico é um processo reversível em que os materiais exibem o efeito piezoelétrico direto (a geração interna de carga elétrica resultante de uma força mecânica aplicada) também exibem o efeito piezoeléctrico reversa (a geração interna de uma tensão mecânica, resultante de um campo elétrico aplicado). Por exemplo, os cristais de titanato zirconato de chumbo irá gerar piezeletrecidade mensurável quando a sua estrutura estática é deformada por cerca de 0,1% da dimensão inicial. Por outro lado, esses mesmos cristais mudam cerca de 0,1% da sua dimensão estática quando um campo elétrico externo é aplicado ao material. Como exemplo, o efeito piezoelétrico inverso é usado na produção de ondas de ultra-som.1 Cristais[editar] Utilizando argumentos referentes a simetria, o efeito piezoelétrico não existe em materiais que apresentam simetria central, e desta forma, podem ser polarizados, ou seja, a piezoeletricidade pode ser explicada pela asssimetria de polarização iônica. Porém, elementos puros, tais como selênio (Se) e telúrio (Te) também exibem a propriedade de piezoeletricidade. Nestes casos, a polarização elétrica induzida é atribuida a distribuição eletrônico que é alterada pela ação externa. Considerando as trinta e duas classes de cristais catalogados, 21 não são centrossimétricos (não possuem centro de simetria); vinte destes exibem piezoeletricidade direta; dez destes representam as classes de cristal polares, que mostram uma polarização espontânea, sem estresse mecânico
  12. 12. devido a um momento de dipolo elétrico permanente. Se o momento de dipolo pode ser revertido através da aplicação de um campo elétrico externo, então o material é considerado ferroelétrico. Para cristais polares, para o qual P (momento de dipolo) difetente de zero (P ≠ 0) mantém sem se aplicar uma carga mecânica, o efeito piezoelétrico manifesta-se alterando a magnitude ou a direcção do P ou ambos. Para os cristais não-polares, mas piezoelétricos, a polarização P diferente de zero é apenas induzida pela aplicação de uma carga mecânica. Para eles, a tensão pode ser imaginada para transformar o material a partir de uma classe de cristal não polar (P = 0) para uma polar, onde P ≠ 0. A maioria dos cristais não possui propriedades piezoelétricas. O mais importante cristal natural que possui esta propriedade, porém, é o quartzo. Além deste, pela facilidade de sintetização, os cristais utilizados são cerâmicas à base de, por exemplo, tetanato de bário ou zirconato de chumbo.2 Descrição Matemática[editar] Piezoelectricidade é uma combinação de efeitos do comportamento elétrico do material:3 onde D é a densidade de deslocamento de carga elétrica, ε é a permisividade elétrica, E representa o campo elétrico, 'e' representa a constante de stress e S é a tensão longitudinal aplicada. Quando a aplicação de uma força F, o centro de equilíbrio das cargas positivas e negativas são deslocados, causando a polarização do material, e o consequente deslocamento de corrente. Similarmente, considerações para o caso quando um campo elétrico E é aplicado mostram que um termo referente a stress adicional, -eE, aparece. Tem-se então a Lei de Hooke, T = cS: Se as cargas de moléculas positivas e negativas possuem magnitudes diferentes, há uma polarização espontânea. Se uma molécula possui um momento de dipolo, este material exibe uma polarização iônica. Já no caso onde há somente um tipo de elemento, mas este é polarizável, temos o efeito de polarização eletrônica. A piezoeletricidade apresenta relação entre propriedades elétricas (E, D) e mecânicas (S, T). O modelo de um sólido piezoelétrico apresenta quatro diferentes relações entre variáveis. Assumimos que e . Assim, utilizando a expansão de Taylor, temos
  13. 13. onde todos os outros efeitos, tais como magnéticos e térmicos, assim como termos não-lineares, são ignorados. Considerando o caso onde ao campo elétrico é aplicado sobre o material piezoelétrico (ao se colocar um material piezoelétrico num campo elétrico externo, as cargas elétricas da rede cristalina interagem com o mesmo e produzem tensões mecânicas), os segundos termos das equações acima enunciam o stress ou a tensão elétrica no material. Se o material não está confinado mecanicamente, a tensão será uma força de reação a força imposta pelo stress. Desta forma, a tensão altera a relação D e E, e assim a medição das propriedades elétricas dependentes das propriedades mecânicas. Do mesmo modo, uma tensão elétrica alterará a medição de propriedades mecânicas dependentes das propriedades elétricas. Em ambos os casos, isso demonstra a essência do acoplamento piezoelétrico. Para uma análise mais detalhada, deve- se comparar diferentes materiais piezoelétricos para identificar sua performace. Fatores como a eficiência do acomplamento a vibrações mecânicas, vibrações com campos elétricos externos, direção de aplicação do campo elétrico externo e demais, são resultados a serem considerados. Num material piezoelétrico também interessam os seguintes coeficientes: Coeficiente de acoplamento eletro-mecânico: é definido como a variação de enegia mecânica convertida em carga pela energia mecânica aplicada ao cristal, ou de modo similar, a energia elétrica convertida em energia mecânica pela energia elétrica aplicada ao cristal. Coeficiente Dielétrica: esta grandeza relaciona a quantidade de carga que uma das faces do cristal pode armazenar em relação à carga total armazenada, e que pode ser dissipada como corrente real. Existem duas constantes dielétricas: uma é a constante para o cristal livre e outra para o cristal bloqueado:
  14. 14. Aplicações[editar] Cerâmicas piezoelétricas são utilzadas para converter sinais elétricos em ondas sonoras O fenômeno piezoelétrico é encontrado em aplicações úteis, como a produção e detecção de som, a geração de tensões elevadas, geração de frequências eletrônicas, microbalanças e concentração ultrafina de conjuntos ópticos. É também a base de uma série de técnicas científicas instrumentais com resolução atômica (microscopia de varredura de sonda), e os usos cotidianos, como atuando como fonte de ignição para isqueiros de faísca elétrica, microfones, e as famosas "pílulas" ou cápsulas de guitarra (embora sejam utilizadas em guitarras acústicas, baixos, violoncelos e outros), que representam uma espécie de microfone. O projeto mais arrojado, porém, refer-se a utilização do materiais piezoelétricos em ruas e estradas, onde a pressão causada pela movimentação dos carros podem ser usados para gerar eletricidade de forma barata. As transformações que ocorrem em cada material: Exemplos de transformações mecânico-elétrica Medidor de pressão; Microfone; Isqueiro elétrico; Alarme antifurto; Agulha do toca-discos. Exemplos de transformações eletrico-mecânica Ultrassom; Nebulizadores; Aparelhos elétricos contra mosquitos; Alto-falantes;
  15. 15. Sensores piezoelétricos[editar] Piezoelétricos são utilizados como captadores de som Os sensores piezoelétricos mensuram determinados parâmetros físicos, que estão na forma de tensão mecânica ou variações de cargas elétricas. Estes são utilizados para se medir pressão cardíaca e registrar os batimentos cardíacos, emitir ou recepcionar ultrassons a fim de visualizar orgãos humanos através da conversão da energia proveniente das ondas emitidas pelo funcionamento dos órgãos que faz vibrar uma lâmina de material piezoelétrico. Resumidamente, quando se aplica tensão mecânica, há o aparecimento de um potencial elétrico; quando a tensão aplicada for de natureza elétrica, temos uma deformação física. O principio de funcionamento de um sensor piezoelétrico reside no fato de que dada dimensão física, pela ação de uma força, é deformada. Dependendo da concepção de um sensor, "modos" diferentes de polarização sobre o elemento piezoelétrico podem ser usados (eles podem ser comprimidos transversalmente, longitudinalmente, ou pela ação de cisalhamento). A detecção de variações de pressão sob a forma de ondas sonoras é a aplicação mais comum do sensor. Por exemplo, Microfonepiezoelétricos, onde ondas sonoras batem no material piezoelétrico, criando uma tensão que varia. Captadores piezoelétricos funcionam pelo mesmo princípio em guitarras electro- acústicas. Sensores piezoelétricos mais acurados são utilizados com som de alta freqüência (acima de 20000 Hz) em transdutores de ultrassom para imagens médicas. Cada transdutor possui uma freqüência de ressonância natural, tal que quanto menor a espessura do cristal que o compõem, maior será a sua frequência de vibração e melhor será o sinal que este gerará ou será capaz de emitir. Para várias técnicas de detecção, o sensor pode atuar tanto como um sensor ou então como captador, sendo então preferencialmente chamado transdutor (termo
  16. 16. preferido para descrever quando o dispositivo funciona com ambas aplicações). A maioria dos dispositivos piezoelétricos têm esta propriedade de reversibilidade, sendo que desta forma, materiais piezoelétricos são indiscrimadamente chamadas transdutores. Transdutores de ultrassom, por exemplo, pode projetam ondas de ultrassom no corpo humano, recebem a reverberação desta onda, com frequência diferente da emitida, convertendo-a em sinal elétrico (tensão). A carga induzida num material piezo é proporcional a força aplicada. onde é uma constante piezoelétrica, com unidade Coulomb por Newton. Os materiais piezoelétricos possuem resistência muito elevada, mas não infinita. Se uma deflexão for aplicada sobre o material, uma corrente infinitesimal seguirá por um circuito, preservando o sinal elétrico gerado pelo piezoelétrico, sendo que a voltagem gerada pode ser mensurada ou ativar outro sensor piezoelétrico deste circuito. Deve-se ressaltar que o sinal decai exponencialmente pela resistência do material piezo somado a resistência externa do circuito.4 Padrão de frequência[editar] Materiais piezoelétricos são empregados em relógios como osciladores. Um cristal de quartzo, que utiliza uma combinação dos efeitos de piezoeletricidade direta e inversa para gerar uma série regular de impulsos elétricos cronometrado, que marcam o tempo. O cristal de quartzo (como qualquer material elástico) tem uma frequência natural definida com precisão (devido a sua forma e tamanho), e este é utilizado para estabilizar a frequência de uma voltagem periódica aplicada ao cristal. O mesmo princípio é aplicado em todos os transmissores e receptores de rádio, e em computadores onde ele cria um pulso de clock. Ambos costumam usar multiplicadores de frequência para atingir faixas gigahertz. Sonar[editar] Pelos estudos de Leonardo DaVinci no século XV, temos uma descrição simplista, porém clara, da ação de um sonar: "Se você estiver no meio do oceano, e parar seu navio, posicioando um longo tubo em direação ao fundo do mar e colocando a outra extremidade próxima de seu ouvido, você ouvirá navios a grande distância de você."
  17. 17. Qualquer outra descrição difere somente em detalhes. O estudo da natureza das ondas sonoras na água e o modo como elas se propagam permitiu com que se construissem sistemas acústicos para observação e mapeamento de solos embaixo d'água. Sensores capazes de identificar a energia de ondas acústicas embaixo d'água são chamados Hidrofone, feitos a partir de materiais piezoelétricos. Os sonares funcionam pela propagação de ondas acústicas (criadas através de sinais digitais eletrôncos) sendo que ele também recebe a volta o sinal acústico que emitiu. Construido com materiais piezoelétricos, este utiliza da energia das ondas para fazer vibrar (sonar) uma película fina que converte a energia proveniente das ondas reverberadas novamente em pulsos elétricos, mas agora com outras intensiadades, que são então decodificados em um computador, tratadas, e gerar imagens de regiões abaixo d'água. Os sonares com transfomrações eletroacústicas foram inicialmente utilizados nos ataques a base japonesa de Pearl Harbor por submarinos americanos. O método acústico na fabricação de sonares, o qual não envolve transformações eletroacústicas, representa o método mais rudimentar (baseado na descrição de DaVinci), sendo que este foi amplamente utilizado durante a Primeira Guerra Mundial. Virtualmente, todos os sistemas de sonares, os quais a energia é restrita a forma acústica são utilizados ainda para localizar um alvo quando este é uma fonte primária de som. Neste caso, capta-se apenas a energia proveniente da propagação destas ondas, para então transformá-las em sinas elétricos (através de materiais piezoelétricos) a serem interpretados. Sonares eletroacústicos são muito mais utilizados, com uma gama maior de aplicações. Porém, para operar, o sonar eletroacústico deve estar parado, muito próximo do local a ser mapeado. Além disso, para ser interpretado, o som deve estar na faixa audível; quando a energia acústica é convertida em energia elétrica, uma vasta gama de equipamentos deve ser aplicada para criar um sinal com características específicas mais convenientes para que os dados possam ser lidos. Neste momento, transdutores como microfones, alto-falantes e fones-de- ouvido (que são excelentes sistemas quando utilizados com deslocamento de massas de ar) se mostram ineficientes com a energia das camadas de água, uma vez que a impedância acústica específica da água (magnitude da resposta a um estímulo) é 4000 vezes maior do que a do ar. Os sonares eletroacústico são então sistemas muito sensíveis, e desta forma, também são muito suscetíveis a distúrbios e interferências na recepção do sinal.
  18. 18. Este tipo de sonar, portanto, ainda é muito estudado e muitos materiais piezoelétricos são testado para que se consiga a melhor relação entre as dificuldades apresentadas por mares e oceanos e pela tecnologia empregada. História[editar] Descoberto pelos irmãos Pierre e Jacques Currie na França, em 1880, o efeito piezoelétrico é apresentado em cristais. Os irmãos Curie, no entanto, não preveram o efeito piezoelétrico inverso. O efeito inverso foi matematicamente deduzido de princípios fundamentais da termodinâmica por Gabriel Lippmann em 1881. Os Curie imediatamente confirmaram a existência do efeito inverso, o que evidenciou de forma quantitativa a reversibilidade completa de eletro-mecânico para as deformações em cristais piezoelétricos. Nas décadas seguintes, a piezoeletricidade permaneceu como sendo uma curiosidade de laboratório. Mais trabalho foi feito para explorar e definir as estruturas cristalinas que tinham a propriedade de gerar corrente elétrica. Isso culminou no ano de 1910, com a publicação do livro de Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook no Crystal Física), que descreve 20 classes de cristais naturais capazes de gerar corrente quando submetidos a pressão mecânica, e rigorosamente definidas as constantes piezoelétricas usando análise tensorial. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Piezoeletricidade

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