Piezoelettricità ed effetto piezoelettrico
La piezoelettricità è la proprietà di alcuni cristalli di caricarsi elettricamente, se deformati o sollecitati meccanicamente – fenomeno che prende il nome di effetto piezoelettrico diretto -, o di manifestare una deformazione se attraversati da corrente elettrica o esposti a un campo elettrico – fenomeno noto come effetto piezoelettrico inverso.
I materiali piezoelettrici, grazie a questa loro duplice potenzialità, sono spesso utilizzati come attuatori, per convertire, cioè, energia elettrica in energia meccanica, o come sensori, per svolgere il processo contrario.
Materiali piezoelettrici e piezoceramici
La piezoelettricità è una proprietà caratteristica dei cristalli privi di centro di simmetria, in natura esistono diversi materiali piezoelettrici, come il quarzo o la tormalina. Nei dispositivi moderni, però, si tende a preferire cristalli artificiali e materiali piezoceramici, sottoposti a processo di polarizzazione.
Al termine di questo processo il materiale reagisce a sollecitazioni, meccaniche o elettriche, con meccanismo piezoelettrico.
I materiali piezoceramici, in particolare, offrono buone prestazioni meccaniche ed elevate costanti piezoelettriche di tensione e deformazione, vengono preferiti ai cristalli naturali perché offrono maggiore affidabilità nella realizzazione di sensori, attuatori e trasduttori.
I materiali piezoceramici si caratterizzano per:
- efficienza di trasformazione elettro-magnetica
- lavorabilità e flessibilità delle forme che si possono ottenere
- possibilità di riproduzione in serie
Allo stesso modo hanno anche difetti strutturali che ne limitano l’uso, in particolare, in alcune circostanze si depolarizzano e perdono le proprietà piezoelettriche.
Applicazioni della piezoelettricità
Le prime applicazioni industriali della piezoelettricità risalgono agli anni della prima guerra mondiale, quando furono realizzati risonatori al quarzo per generare onde acustiche, che venivano usati come sonar per individuare sottomarini in immersione. In seguito si è passati alla realizzazione di interferometri acustici per misurare la velocità del suono e le sua dispersione in gas di composizione e temperatura differenti.
Con il passare degli anni divennero sempre più evidenti le caratteristiche prestazionali della ceramica piezoelettrica e questo ha aumentato l’impegno nella ricerca e nello sviluppo di dispositivi piezoelettrici.
Attualmente, i materiali piezoelettrici sono impiegati nella realizzazione di differenti tipologie di attuatori, componenti importanti nei sistemi di controllo automatico perché hanno il compito di in pratica il comando fornito dal sistema, e di trasduttori elettromeccanici, dispositivi che sono in grado di convertire grandezze meccaniche, come pressione o accelerazione, in grandezze elettriche.
In particolare gli attuatori piezoelettrici hanno rivoluzionato il settore del posizionamento nanometrico di precisione e del controllo del movimento.
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