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O efeito piezelétrico foi descoberto por Pierre[1] e Jacques[2] Curie em 1880. Os dois pesquisadores realizaram um experimento que consistiu em cortar uma lâmina cristalina de quartzo e, em seguida, aplicar cargas mecânicas nas duas faces opostas dessa lâmina, inúmeras vezes. Após a aplicação das forças, observava-se o aparecimento de cargas elétricas; uma face positiva e outra negativa na lâmina. Ao aplicarem esforços mecânicos diferentes chegaram à conclusão de que o grau de “eletrificação” ou de separação de cargas era proporcional à intensidade dos esforços mecânicos aplicados. Diversos são os materiais que produzem o efeito piezelétrico entre eles o quartzo, a turmalina e compostos como sulfato de lítio, titanato de bário, metaniobato de chumbo e o zirconato-titanato de chumbo. O quartzo é um material que, apesar de muito resistente, química e mecanicamente, apresenta baixa eficiência piezelétrica. Outros materiais, como o sulfato de lítio, são menos resistentes mecanicamente, no entanto são mais eficientes em termos piezelétricos.

  1. Lippmann[3] deduziu, teoricamente, um ano após a descoberta do efeito piezelétrico que o mesmo deveria possuir um fenômeno inverso ou recíproco. Segundo sua teoria, ao aplicar cargas elétricas positivas e negativas nas faces opostas da lâmina cristalina, estas deveriam produzir uma deformação no cristal, semelhante à deformação promovida, inicialmente, nos experimentos realizados pelos Curie. Com o objetivo de validar a teoria de Lippmann, Pierre e Jacques Curie realizaram novos testes comprovando a reversibilidade do efeito.

O efeito piezelétrico deve-se a uma assimetria imposta à estrutura cristalina por ação dos esforços ou campos elétricos aplicados. A escolha da direção de corte das placas cristalinas, por exemplo de quartzo, (constituído por íons de silício e oxigênio) é determinante para a produção do efeito piezelétrico. O material precisa ser cortado segundo determinados eixos para que as deformações sejam provocadas segundo direções que facilitem o deslocamento dos íons. A importância do corte segundo eixos adequados deve-se ao caráter anisotrópico desses materiais, ou seja, à variação das propriedades físicas com a direção escolhida. Esta deformação faz deslocar os íons de silício e oxigênio (no caso do quartzo) de forma que passa a existir um excesso de cargas positivas ou negativas em uma das superfícies e de sinal contrário na outra superfície, polarizando a placa de quartzo e criando uma diferença de potencial entre as duas superfícies. Conforme deduzido por Lippmann e comprovado pelos Curie, o efeito é reversível e ocorre ao aplicar uma tensão que provoca um deslocamento de íons em relação a outros, o que acarreta uma deformação da placa.

A aplicação de uma tensão alternada ao cristal permite uma deformação igualmente alternada com uma frequência igual àquela da tensão elétrica aplicada. Isso originará estados de tração e compressão na placa (vibração), o que é necessário para a produção de ultrassons. Deformações em direções diferentes daquela de interesse também ocorrem, permitindo o aparecimento simultâneo de modos de vibração diferentes, que, em geral, busca-se anular. Os ultrassons têm ampla utilização em áreas como a Engenharia de Materiais e a Medicina.

No caso da Engenharia a microestrutura de vários materiais tem sido extensivamente estudada utilizando-se técnicas baseadas no comportamento de ondas e vibrações mecânicas de alta frequência (ultrassons)www.spectrum-engenharia.com/loja. As ondas ultrassônicas podem ser usadas na investigação e inspeção da microestrutura de materiais atendendo às perspectivas das comunidades acadêmicas e industrial. Desenvolvimentos recentes, tanto nas técnicas de medição quanto na compreensão dos mecanismos de interação das ondas ultrassonoras com a matéria, têm demonstrado, claramente, o grande alcance do método quando aplicado ao estudo de propriedades físicas dos sólidos de interesse para especialistas do ramo “materiais”.

 

[1]Pierre Curie nasceu em Paris, França,  no dia 15 de maio de 1859 e faleceu na mesma cidade em 19 de abril de 1906. Foi um físico pioneiro no estudo da cristalografia, magnetismo, piezeletricidade e radioatividade. Ganhou o prêmio Nobel da Física em 1903, juntamente com sua esposa Marie Curie, pelos seus estudos sobre a radioatividade.

 

[2]Jacques Curie físico francês nascido em Paris no dia 28 de outubro de 1855 e faleceu em Montpellier, França, em 19 de fevereiro de 1941. Foi professor de mineralogia na Universidade de Montpellier e irmão de Pierre Curie, com quem desenvolveu os estudos a respeito da piezeletricidade.

 

[3]Gabriel Lippmann físico nascido em Bonnevoie, Luxemburgo,em 16 de agosto de 1845. O pesquisador recebeu o prêmio Nobel de Física em 1908 pelo seu método de reprodução fotográfica em cores com base no fenômeno de interferência. Lippmann faleceu em 13 de julho de 1921 aos 75 anos de idade.


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