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Um pouquinho de piezoeletricidade

Créditos: WAI's Watch Museum

Você provavelmente já usou a piezoeletricidade algumas vezes hoje, principalmente se tiver um relógio de quartzo, um aplicativo de reconhecimento de voz que pesquisa automaticamente à medida que você fala ou um gramofone. A piezoeletricidade é mais simples do que parece: ela significa o uso de cristais par converter energia mecânica em eletricidade ou vice-versa. Vamos daruma olhada mais de perto.

O que é piezoeletricidade?

Esfregue alguns cristais (como o quartzo) e você irá conseguir gerar eletricidade a partir disso. O inverso disso também é verdadeiro: se você passar eletricidade através de alguns cristais, eles irão “esfregar-se uns nos outros”. Isso é o que é ela em poucas palavras, mas pelo bem da ciência, vamos dar uma definição mais formal:

A piezo eletricidade (também chamada de efeito piezoelétrico) é o aparecimento de um potencial elétrico (ou voltagem) ao longo de cristais quando submetidos a algum estresse mecânico.

Na prática, o cristão se torna uma espécie de pequena bateria com carga positiva em um lado e negativa de outro; a corrente flui se colocarmos as duas faces juntas visando fazer um circuito. No efeito piezoelétrico reverso,as faces de uns cristais se tornam mecanicamente estressadas quando uma corrente é aplicada em suas faces opostas.

O que causa a piezoeletricidade?

Diagram showing the regular arrangement of atoms in a crystalline solid.

 

Ao referir-se a cristais, os cientistas não necessariamente querem falar sobre pedaços de rocha brilhantes que você encontra em lojas de presentes: cristal é o nome científico para algum sólido cujo átomos ou moléculas são arranjados de uma maneira bastante ordenada com repetições consecutivas do mesmo bloco básico de átomos (chamado de célula unitária). Então, um pedaço de ferro é “tão cristal” quanto um pedaço de quartzo.

Na maioria dos cristais (como os metais), a célula unitária é simétrica; em cristais piezoelétricos, não é. Normalmente, esses são eletricamente neutros: os átomos dentro deles talvez não sejam simetricamente arranjados, mas suas cargas elétricas são perfeitamente balanceadas: uma carga positiva em um local cancela uma carga negativo em outro. Entretanto, se você esfregar um cristal piezoelétrico, você irá deformar a estrutura, colocando alguns átomos juntos e outros separados, desequilibrando-o e fazendo que algumas redes de cargas elétricas apareçam. Esse efeito faz com que cargas positivas e negativas apareçam em faces opostas do cristal.

O efeito piezoelétrico reverso ocorre da maneira oposta. Ao colocar uma corrente elétrica através do cristal, você estará submetendo os seus átomos à “pressão elétrica”. Eles têm de se mover para se rebalancearam.

Como a piezoeletricidade funciona?

Aqui embaixo, de maneira simplificada, como tudo funciona:

Animation showing how piezoelectric charges appear when you press a crystal.

  1. Normalmente, as cargas em um cristal piezoelétrico são perfeitamente balanceadas, mesmo que não sejam simetricamente arranjadas.
  2. As cargas se cancelam, não deixando nenhuma rede extra nas faces do cristal.
  3. Se você esfregar o cristal, forçará as cargas a se desbalancearem.
  4. Agora, os efeitos das cargas não conseguem se cancelar. Então, a partir do esfregamento do cristal, foi-se produzida uma rede elétrica nas faces do cristal – e isso é piezoeletricidade.

Para quê se usa a piezoeletricidade?

Photo: A typical piezoelectric transducer.

Há várias situações onde nós precisamos de converter energia mecânica em sinais elétricos ou vice-versa. Normalmente, podemos fazer isso com um transdutor piezoelétrico. Um transdutor é simplesmente um aparato que converte pequenas quantidades de energia em outro tipo (como, por exemplo, a conversão de luz, som e pressão mecânica em eletricidade).

Em um equipamento ultrasônico, um transdutor piezoelétrico converte a energia elétrica em rápidas vibrações mecânicas – com frequências muito altas para serem detectadas por nossos ouvidos. Essas vibrações podem ser usadas para escanear ou limpar algo.

Em um microfone, precisamos converter energia sonora em energia elétrica. Então, apenas basta esfregar a parte interior do microfone com as ondas da sua voz, o que fará o cristal gerar energia elétrica correspondente. A agulha de um gramofone trabalha de forma oposta. Na ponta dela, há um cristal piezoelétrico que vibra e produz sinais elétricos que, por sua vez, são convertidos em som.

LP record player stylus seen from underneath.

Continuação…

Em um relógio de quartzo, o efeito piezoelétrico reverso é usado para manter o tempo preciso. A energia elétrica da bateria alimenta um cristal que faz oscilações milhares de vezes por segundo. O relógio, então, usa um circuito eletrônico para transformar isso em batidas com menor frequência, a uma vez por segundo. O ponteiro dos segundos, por sua vez, ocasiona o movimento dos outros.

A piezoeletricidade é também usada, mais crucialmente, em isqueiros de ignição para fogões. Pressione um botão e você escutará alguns sons de batidas rápidos seguidos de uma faísca. Nesse processo, você está submetendo um cristal piezoelétrico ao movimento a partir da eletricidade e tal movimento gera atrito que, por sua vez, causa as faíscas.

Quem descobriu a piezoeletricidade?

O efeito piezoelétrico foi descoberto em 1880 por dois físicos franceses, Pierre e Paul-Jacques Curie, a partir da observação de cristais de quartzo, da turmalina e do sal de Rochelle.

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