piezoelettricità

Piezoelettricità

La piezoelettricità è la polarizzazione elettrica prodotta dalla deformazione meccanica in alcuni cristalli. Il fenomeno, scoperto nel 1880 da Paul-Jacques Curie e da suo fratello minore Pierre, implica l‘interazione tra i comportamenti elettrici e meccanici del materiale che compare su cristalli specificamente preparati come la tormalina, il quarzo e il sale di Rochelle, sottoposti a sforzo meccanico.

La piezoelettricità in cui nome deriva dal greco πιέζειν che significa premere o comprimere descrive la comparsa di un potenziale elettrico su alcune facce di alcuni tipi di materiali quando sono sottoposti a pressione meccanica.

La prima applicazione della piezoelettricità è dovuta al fisico francese Paul Langevin che ideò, nel corso della prima guerra mondiale, una tecnica per la produzione e la ricezione degli ultrasuoni, utile a rivelare la presenza di sommergibili e a compiere sondaggi marini utilizzando elementi piezoelettrici di quarzo interposti fra piastre di acciaio.

La successiva scoperta avvenuta nel corso della seconda guerra mondiale, della possibilità di indurre la piezoelettricità tramite l’applicazione di un forte campo elettrico ad ossidi metallici sinterizzati in modo da allineare i loro domini di dipolo, consentì nuove applicazioni aprendo la strada a nuovi materiali.

Piezoelettricità e polarizzazione

La piezoelettricità è spiegata dallo spostamento degli ioni nei materiali che hanno una cella unitaria non simmetrica. Quando il materiale viene compresso, gli ioni in ciascuna cella unitaria vengono spostati, provocando una polarizzazione elettrica della cella unitaria.

Questo fenomeno, denominato polarizzazione spontanea, è causato da uno spostamento delle nubi di elettroni rispetto ai loro centri atomici individuali, cioè uno spostamento degli ioni positivi rispetto agli ioni negativi all’interno dei loro reticoli cristallini con formazione di un dipolo elettrico.

A causa della regolarità della struttura del materiale, questi effetti si accumulano, provocando la comparsa di una differenza di potenziale elettrico misurabile sugli elettrodi collegati alle facce del cristallo. La piezoelettricità è un fenomeno completamente reversibile infatti rimuovendo le forze, il potenziale elettrico scompare completamente.

effetto piezoelettrico
effetto piezoelettrico

Le forze di torsione, compressione, taglio o flessione lungo una direzione appropriata, provocano uno spostamento della carica elettrica a causa della deflessione del reticolo in cristalli dotati di un centro di inversione. Al contrario, l’applicazione di un campo elettrico esterno a tali materiali induce una deformazione meccanica e questo fenomeno è chiamato piezoelettricità inversa.

Materiali piezoelettrici

I materiali piezoelettrici sono una classe di materiali con risposte elettromeccaniche riproducibili e stabili quando sottoposti a stimoli elettrici o meccanici.

polarizzazione
polarizzazione

La maggior parte dei materiali piezoelettrici hanno i loro dipoli allineati in modo casuale. Per aumentare la capacità dell’effetto piezoelettrico di tali materiali viene eseguito il processo di polarizzazione in cui  il materiale viene lasciato sotto un campo elettrico al di sotto del suo punto di Curie, allineando quindi i suoi poli in un’unica direzione. Una volta rimosso il campo elettrico, la maggior parte dei poli rimane allineata nella stessa direzione.

La capacità di questi materiali di mantenere i loro dipoli allineati nella stessa direzione dopo la rimozione del campo elettrico è nota come ferroelettricità.

I materiali che mostrano piezoelettricità possono essere classificati nelle seguenti categorie:

  • monocristallini come il quarzo
quarzo
quarzo

I cristalli di quarzo sono costituiti da biossido di silicio a struttura cristallina trigonale costituita da tetraedri silicio-ossigeno uniti tra loro per i 4 vertici, con ciascun ossigeno condiviso tra due tetraedri. Nel quarzo, gli atomi di silicio hanno una carica parziale carica positiva e gli atomi di ossigeno hanno una parziale carica negativa.

Normalmente, quando il cristallo non è sottoposto a stress esterni, le cariche si disperdono uniformemente in tutto il cristallo quando viene allungato o schiacciato, la disposizione degli atomi cambia leggermente e ciò provoca un accumulo di cariche positive da un lato e di cariche negative sul lato opposto. In un circuito che collega un’estremità del cristallo all’altra la differenza di potenziale produce corrente. Viceversa, inviando una corrente elettrica attraverso il cristallo si ha una variazione di forma.

  • piezoceramici come il piombo-zirconato di titanio

Sono materiali ferroelettrici con strutture policristalline. Al di sopra del punto di Curie , questi cristalli mostrano una semplice simmetria cubica nella struttura in cui non sono presenti dipoli poiché i siti di carica positiva e negativa sono coincidenti a causa della struttura centrosimmetrica.

Tuttavia, questa simmetria non è più presente al di sotto della temperatura di Curie in cui non vi è più coincidenza dei siti di carica. Ciò si traduce in dipoli elettrici incorporati che sono reversibili. I dipoli vicini si riallineano localmente per formare domini di Weiss.

Esempi di materiali piezoceramici sono il titanato di bario BaTiO3, il titanato di piombo PbTiO3, il niobato di potassio KNbO3, il niobato di litio LiNbO3, il titanato di litio LiTaO3 e il tungstato di sodio Na2WO3. Le ceramiche che mostrano piezoelettricità sono ampiamente utilizzate nei sensori, nei trasduttori ultrasonici, nei dispositivi di microspostamento e in altri componenti elettronici.

  • semiconduttori piezoelettrici come ZnO

L’ossido di zinco è un materiale piezoelettrico nonché un semiconduttore ad elevato band gap pari a 3.37 eV. È presente in una struttura esagonale (wurtzite), cubica (salgemma) e in un’altra struttura cubica (sfarelite), ma la struttura esagonale è la più comune.

In essa in cui il catione Zn2+ è circondato da quattro anioni O2 − anioni e viceversa. Tale struttura non è centrosimmetrica a causa della disposizione tetraedrica con parametri di reticolo a = 0.3296 e c = 0.52065 nm.

Nel tetraedro le quattro lunghezze di legame non sono le stesse e la lunghezza del legame sull’asse c è maggiore rispetto agli altri tre legami. Di conseguenza, i dipoli non si annullano, portando alla polarità lungo l’asse della cella unitaria. Quando viene esercitata una pressione sull’angolo del tetraedro, i centri di massa dei cationi e degli anioni vengono ulteriormente spostati e ciò si traduce in una polarizzazione netta e un comportamento piezoelettrico se tutti i tetraedri hanno un allineamento reciproco.

  • polimeri come il polivinilidenfluoruro

Tali polimeri, che non mostrano un coefficiente piezoelettrico elevato rispetto a quelli ceramici, sono leggeri, flessibili e resistenti chimicamente e meccanicamente e possono essere facilmente trasformati in un’ampia varietà di configurazioni. Inoltre, le loro proprietà fisico-chimiche possono anche essere adattate in un ampio intervallo mediante modifiche appropriate

  • compositi piezoelettrici

I compositi piezoelettrici sono costituiti da una ceramica piezoelettrica e un polimero come, ad esempio, le resine epossidiche che combinano elevata piezoelettricità e flessibilità meccanica. I compositi piezoelettrici sono stati sperimentati da Robert E. Newnham all’inizio degli anni ’70 in cui riempitivi ceramici piezoelettrici, come il piombo-zirconato di titanio, il  piombo-niobato di magnesio, e il titanato di bario sono stati utilizzati introdotti sotto forma di sfere o fibre nella matrice polimerica per fabbricare il composito.

Questi compositi presentano numerosi vantaggi rispetto alle ceramiche e ai polimeri piezoelettrici convenzionali, tra cui proprietà elettromeccaniche migliorate, flessibilità meccanica e la capacità di personalizzare le proprietà utilizzando diversi modelli di connettività.

  • vetroceramiche come Li2Si2O5 e Ba2TiSiO6

La piezoelettricità richiede una struttura cristallina non centrosimmetrica ed è quindi limitata a materiali che possiedono una struttura cristallina periodica. A causa della natura non cristallina del vetro questo materiale non può mostrare piezoelettricità. Tuttavia, un modo per sfruttare le proprietà piezoelettriche in una matrice vetrosa è sviluppare vetroceramiche che possiedano una crescita controllata di una fase cristallina.