Piezoeletricidade é a carga elétrica produzida em certos materiais quando eles são comprimidos, flexionados ou submetidos a outra tensão mecânica. O efeito ocorre em cristais, em algumas cerâmicas e em materiais biológicos, como ossos, filmes orientados de DNA e proteínas de certos vírus.
Ao mudar a disposição das cargas elétricas dentro de um material piezoelétrico, a deformação pode produzir um sinal elétrico. O processo também funciona no sentido inverso: um campo elétrico faz o material mudar ligeiramente de forma. A resposta depende de sua estrutura interna e da direção em que a força ou o campo é aplicado. Essa mudança de forma permite a um transdutor produzir ultrassom a partir de um sinal elétrico.
Os irmãos Jacques e Pierre Curie descobriram o efeito em 1880.; Republicado em: ; Ver também: Desde então, ele passou a ser usado para produzir e captar sons, manter a frequência de relógios de quartzo, movimentar a tinta em impressoras e posicionar peças com precisão. Aparece ainda nos captadores de algumas guitarras, nos acionadores de baterias eletrônicas e nos isqueiros que acendem o gás com uma faísca. Essas aplicações aproveitam, de maneiras diferentes, a passagem entre movimento e eletricidade.
Fundamentos Efeitos direto e inverso direita|miniatura|upright=0.95|alt=Esquema de uma placa presa numa extremidade que se curva sob tensão elétrica.|A tensão elétrica faz uma placa piezoelétrica se curvar e transformar um sinal em vibração sonora. Dentro de um sólido, cargas positivas e negativas podem formar dipolos elétricos, pequenos pares cuja orientação importa para a resposta do material. Em certos cristais, a posição dos íons na estrutura cristalina deixa a distribuição de cargas assimétricaAs cargas positivas e negativas ficam distribuídas de maneiras diferentes conforme a direção observada no cristal., como ocorre no BaTiO3 e no PZT. Na sacarose, os dipolos pertencem aos próprios grupos moleculares. Somando os momentos de dipolo de uma célula unitária e dividindo pelo volume, obtém-se a polarização, medida em C/m²C é o símbolo do coulomb, unidade de carga elétrica. Aqui, a polarização é expressa em coulombs por metro quadrado.. Como o momento de cada dipolo tem direção, a polarização P é um campo vetorial.
esquerda|miniatura|upright=0.85|alt=Duas placas de capacitor e um material dielétrico entre elas, com cargas separadas.|A separação de cargas cria um campo elétrico. Num material piezoelétrico, a deformação muda essa separação. Quando a força deforma o material, a polarização P mudaTensão mecânica é força distribuída por uma área. A tensão elétrica é outra grandeza e é medida em volts.. Os dipolos podem girar, ou as cargas à sua volta podem se reorganizar. A mudança depende da direção inicial da polarização, da simetria cristalina e da força aplicada. Com isso, varia a densidade de carga nas faces do cristal e surge uma diferença de potencial entre elas. Por exemplo, um cubo de quartzo de 1 cm³ pode produzir 12.500 V se receber uma força de 2 kN na direção adequada.
Aplicar um campo elétrico a esse material provoca o efeito piezoelétrico inverso: em vez de obter um sinal elétrico com uma deformação, obtém-se uma deformação com o sinal aplicado.
A eletrostrição também muda a forma de um material sob um campo elétrico, mas pode ocorrer até em dielétricos com centro de simetria. Na aproximação usual, sua deformação depende do quadrado do campo aplicado, ao contrário da resposta piezoelétrica linear.
Do material ao transdutor direita|miniatura|upright=0.85|alt=Vídeo de mãos conectando um diodo luminoso a um disco piezoelétrico e pressionando o disco.|Demonstração do efeito direto: a deformação de um disco piezoelétrico pode gerar um pulso elétrico. Se um elemento piezoelétrico tiver eletrodos, um circuito poderá ler a carga produzida quando ele for comprimido ou flexionado. Aplicar uma tensão elétrica aos mesmos eletrodos fará o elemento se deformar. Num transdutor ultrassônico, o sinal elétrico produz a onda sonora, e o eco que retorna volta a ser convertido em sinal. A direção da força, a polarização do material e a posição dos eletrodos mudam o resultado.
Um sensor usa essa conversão para captar uma força ou uma vibração. Já num atuador, o circuito aplica o sinal elétrico para controlar o movimento da peça. A forma do elemento e o circuito determinam qual dessas respostas será aproveitada.
Simetria e classes cristalinas esquerda|miniatura|upright=0.85|alt=Esquema de um cristal de quartzo com seus eixos e de uma placa recortada em uma orientação definida.|A resposta de uma placa de quartzo depende de como ela é cortada em relação aos eixos do cristal. Das 32 classes cristalinas, 21 não têm centro de simetria e 20 delas exibem piezoeletricidade direta. A exceção é a classe cúbica 432. Dez dessas classes são polares: suas células unitárias já têm um momento de dipolo elétrico, mesmo sem esforço mecânico, e exibem polarização espontânea e piroeletricidade. Se um campo elétrico conseguir inverter essa polarização, o material é ferroelétrico. As dez classes polares, ou piroelétricas: 1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6 e 6mm. As outras dez classes piezoelétricas: 222, , 422, , 32, , 622, , 23 e .
Num cristal polar, a polarização P já é diferente de zero antes da aplicação da força. O esforço altera sua intensidade, sua direção ou as duas coisas. Num cristal piezoelétrico não polar, a força cria uma polarização que antes se anulava. Nesse sentido, a deformação leva uma estrutura com P = 0 a se comportar como outra com P ≠ 0.
Domínios e polarização das cerâmicas direita|miniatura|upright=0.9|alt=Esquema dos domínios de uma cerâmica antes e depois da aplicação de um campo elétrico.|A polarização orienta domínios inicialmente desordenados, permitindo que suas respostas se somem na cerâmica. Nas cerâmicas ferroelétricas, regiões vizinhas com polarização alinhada formam os chamados domínios ferroelétricos. Antes do preparo da peça, os domínios podem apontar em direções diferentes e suas respostas se cancelar. Para obter uma orientação preferencial, aplica-se ao material um campo elétrico intenso, muitas vezes enquanto ele está aquecidoO aquecimento facilita a mudança de orientação dos domínios durante a aplicação do campo elétrico.. Esse processo é chamado polarização. Nem todo material piezoelétrico pode ser preparado dessa maneira.
História Etimologia A palavra piezoeletricidade reúne piezo-, do grego πιέζω, piézō, que significa "apertar" ou "pressionar", e eletricidade, termo que remonta ao grego ἤλεκτρον, ḗlektron, "âmbar". O âmbar já era conhecido na Antiguidade por atrair objetos leves depois de ser esfregado."Piezoelectric", Online Etymology DictionaryLiddell, Scott e Jones, A Greek-English Lexicon, verbete "πιέζω", Liddell, Scott e Jones, A Greek-English Lexicon, verbete "ἤλεκτρον". O físico Wilhelm Gottlieb Hankel propôs a forma alemã Piezoelektrizität em 1881. Na p. 462: "Da die durch Druck erzeugte Elektricität sonach auch besonderen Gesetzen unterliegt, so wird es angemessen sein, derselben gleichfalls einen besonderen Namen beizulegen, und es dürfte sich dazu die Bezeichnung Piezoelektricität eignen." (Como a eletricidade gerada por pressão obedece a leis próprias, convém dar-lhe um nome específico. Hankel propôs Piezoelektricität.) Publicado também como folheto: Ver p. 462.
Descoberta e primeiras pesquisas A piroeletricidade, em que uma mudança de temperatura produz um potencial elétrico, já era estudada por Lineu e Franz Aepinus em meados do século XVIII. René Just Haüy e Antoine César Becquerel tentaram descobrir se a pressão também poderia produzir carga elétrica, mas seus experimentos não foram conclusivos.
esquerda|miniatura|upright=0.9|alt=Fotografia aproximada do cristal e dos componentes metálicos no compensador dos Curie.|Os Curie usaram instrumentos de comparação de cargas para quantificar a resposta elétrica dos cristais comprimidos. Em 1880, os irmãos Jacques e Pierre Curie demonstraram o efeito piezoelétrico direto. Eles partiram do que sabiam sobre piroeletricidade e sobre a estrutura dos cristais para prever como estes reagiriam à pressão. Testaram turmalina, quartzo, topázio, açúcar de cana-de-açúcar e tartarato de sódio e potássio, conhecido como sal de Rochelle. Entre os cristais examinados, o quartzo e o sal de Rochelle deram as respostas mais intensas.
Os irmãos não haviam previsto que a conversão poderia funcionar no sentido contrário. Gabriel Lippmann deduziu o efeito inverso a partir da termodinâmica em 1881. Pouco depois, os Curie confirmaram o resultado experimentalmente e mediram a reversibilidade da deformação eletromecânica.
O quartzo piezoelétrico entrou nos instrumentos com que Pierre e Marie Curie mediram a radioatividade e identificaram o polônio e o rádio, em 1898. Fora dos laboratórios, o efeito ainda tinha pouco uso. A estrutura dos cristais continuou a ser estudada e, em 1910, Woldemar Voigt reuniu em Lehrbuch der Kristallphysik as 20 classes naturais capazes de apresentar piezoeletricidade. Também definiu suas constantes por meio da análise de tensores.
Primeira Guerra Mundial e período entre guerras direita|miniatura|upright=0.9|alt=Fotografia histórica de um aparelho de medição de frequência com válvulas e controles.|Na década de 1920, os osciladores controlados por cristais de quartzo já serviam de referência para frequências de rádio. Durante a Primeira Guerra Mundial, o sonar tornou-se a primeira aplicação prática dos dispositivos piezoelétricos. O uso de ultrassom deu a eles desempenho superior ao do oscilador de Fessenden, empregado antes. Na França, em 1917, Paul Langevin e seus colaboradores desenvolveram um detector ultrassônico de submarinos. O aparelho combinava um transdutor de cristais de quartzo finos, presos entre placas de aço, e um hidrofone para captar o eco. A distância até um objeto podia então ser calculada pelo tempo entre a emissão de um pulso sonoro e o retorno do eco.
As cápsulas cerâmicas de fonógrafo tornaram os toca-discos mais baratos e simples de fabricar e manter. No estudo de materiais, transdutores ultrassônicos facilitaram a medição da viscosidade de fluidos e da elasticidade de sólidos. Já os reflectômetros ultrassônicos no domínio do tempo passaram a localizar defeitos em peças de metal fundido e pedra: eles enviam um pulso pelo material e captam os ecos produzidos por descontinuidades. A inspeção ajuda a avaliar a segurança das estruturas.
Na década de 1930, pesquisadores procuravam cristais cuja frequência mudasse pouco com a temperatura. Dessa busca vieram os cortes AT e BTA orientação em que a lâmina é cortada do cristal altera quanto sua frequência muda com a temperatura.. Em 1934, Issac Koga, no Japão, Bechmann e Straubel, na Alemanha, e Frederick R. Lack, Willard e Fair, nos Estados Unidos, chegaram a esses cortes de modo independente. Antes deles, controlar a temperatura exigia equipamentos volumosos. As novas orientações de corte e as melhorias na montagem facilitaram o uso em aparelhos móveis e na radiocomunicação.
Segunda Guerra Mundial e pós-guerra esquerda|miniatura|upright=0.85|alt=Placa eletrônica com um disco circular piezoelétrico instalado entre outros componentes.|A produção de cerâmicas e transdutores permitiu incorporar elementos piezoelétricos a circuitos eletrônicos comuns. Durante a Segunda Guerra Mundial, equipes dos Estados Unidos, da União Soviética e do Japão estudaram independentemente cerâmicas ferroelétricas de titanato de bário. Depois vieram as cerâmicas de titanato zirconato de chumbo, nas quais se podiam obter respostas piezoelétricas mais intensas e ajustar as propriedades a diferentes usos.
A demanda militar por controles de frequência fez crescer a produção norte-americana de cristais de quartzo durante a guerra. O quartzo já tinha aplicações comerciais, e as novas cerâmicas abriram outras possibilidades para transdutores, filtros e atuadores.