Piezoelettricità: cosa è e applicazioni
Piezoelettricità, una proprietà che caratterizza alcuni materiali che mostrano configurazioni geometriche equivalenti dal punto di vista della stabilità del sistema, ma orientate diversamente. Detto in questo modo così sintetico può risultare complesso da immaginare, ma basta qualche riga in più per comprendere il meccanismo che “scatta” e che fa acquisire al quarzo, ad esempio, delle proprietà piezoelettriche.
Non accade a caso, in un qualsiasi momento, ma quando questo tipo di materiale viene riscaldato e immerso in un campo elettrico che lo faccia polarizzare e poi raffreddare, dando luogo ad una configurazione nuova in cui le celle che lo compongono sono deformate nella stessa direzione. Immaginiamoci una folla di persone in una piazza che, sentendo un rumore anomalo uno dei lati della stessa, si girano tutte in quella direzione.
A scoprire l’effetto piezoelettrico sono stato nel 1880 Pierre Curie e Paul-Jacques Curie, con il quarzo, e proseguendo gli studi hanno anche intuito l’effetto piezoelettrico inverso.
Piezoelettricità: cosa è
Dal greco πιέζειν, premere o comprimere, si tratta della proprietà che caratterizza quei materiali cristallini in grado di polarizzarsi, ovvero di assumere delle configurazioni in cui tutte le celle sono deformate nella stessa direzione, come appena illustrato.
Questa “coreografia” genera una differenza di potenziale quando sono soggetti a una deformazione meccanica effetto piezoelettrico diretto, e li porta anche a deformarsi in maniera elastica quando sono attraversati da corrente.
Questo ultimo comportamento è descritto come effetto piezoelettrico inverso, o effetto Lippmann, lo scienziato che per primo lo ha ipotizzato. Le deformazioni di cui stiamo parlando, nel caso della piezoelettricità, sono dell’ordine del nanometro e l’orientazione delle celle avviene solo lungo una determinata direzione, non a caso, ogni volta diversamente.
Piezoelettricità: funzionamento
La piezoelettricità mostra i suoi effetti in tutti quei materiali cristallini che non hanno in centro di simmetria per cui possono deformarsi, all’occasione. Immaginiamoci cristalli costituiti da microscopici dipoli elettrici che, una volta applicata una forza dall’esterno, trasformano lo stesso cristallo in un condensatore a cui è stata applicata una differenza di potenziale. Questo perché la forza esterna comprime il cristallo, ne deforma la struttura e ne compromette la neutralità elettrica.
Con la piezoelettricità il materiale, un disco ad esempio, ha due facce con diversa carica che, se collegate tramite un circuito esterno, generano una corrente elettrica, o meglio una corrente piezoelettrica.
Cosa accade se si applica una differenza di potenziale al cristallo? Si espande o si contrae lungo, sempre lungo un asse determinato, con una vibrazione anche violenta.
Piezoelettricità: applicazioni
Il funzionamento di un accendigas che usiamo tutti i giorni, possiamo verificare di persona, potrebbe essere basato sulla piezoelettricità. Molte, e molto più appassionanti, sono le applicazioni di questa proprietà, in ambito medico.
Ad esempio la piezochirurgia (piezosurgery) dove vengono usate onde ultrasoniche generate tramite un apparecchio piezoelettrico per la chirurgia ossea riuscendo così a preservare i tessuti molli. E’ applicata spesso nel settore dentale, in implantologia.
La piezoelettricità entra in gioco anche per le sonde ecografiche, con cristalli piezoelettrici che fanno da attuatori e sensori in fase combinata, e poi, ci sono i litotritori piezoelettrici anche dedicati all’urologia ma si rischia di andare su terreni troppo tecnici, da esperti. Il senso che deve avere questo paragrafo, è quello di mostrare come la piezoelettricità è di grande utilità, anche se “invisibile”e complessa da spiegare.
Piezoelettricità del quarzo
Un esempio di applicazione della piezoelettricità in altri settori è il microfono piezoelettrico, dispositivo in cui la pressione dell’aria esercitata sul cristallo dall’apparato vocale fa sì che la piastrina di quarzo produca un segnale con la stessa frequenza della voce che l’ha causato. Per ottenere un livello di potenza adeguato, il segnale di solito viene amplificato in un momento successivo. La piezoelettricità inversa è invece alla base degli altoparlanti piezoelettrici
Accendino piezoelettrico
Torniamo all’esempio più comune di piezoelettricità applicata. L’accendino. Se ne sono ancora in giro e se ora, capito come funziona, ne desiderate uno, con 12 euro, lo trovate su Amazon.
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Pubblicato da Marta Abbà il 11 Dicembre 2017
