Relatório 6 PDFE - Mauricio Hoffman

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Aluno: Mauricio Hoffman
Matrícula: 160138574
Data: 16 de março de 2022
Universidade de Brasília
Prática de Física dos Dispositivos Eletrônicos
Lab 6 - Efeito Piezoelétrico
Objetivo
Este experimento tem como objetivos, realizar a introdução ao efeito
piezoelétrico, com a demonstração da conversão de energia mecânica em energia
elétrica. Além de demonstrar como funciona o efeito piezoelétrico inverso, na
conversão de energia elétrica em energia mecânica, na forma de ondas sonoras.
Materiais Utilizados
Os materiais utilizados para o experimento foram os seguintes:
- Osciloscópio Digital: Tektronix TBS
- Gerador de funções: FellTech FY3200S
- Disco Piezoelétrico
- 2 Diodos 1N4007
- 1 Capacitor
Procedimentos experimentais e dados obtidos:
Foi montado um circuito com o um piezo, dois diodos e um capacitor, como
pode-se ver abaixo:
Parte-I: Efeito Piezoelétrico
a) Conecte os terminais do disco piezoelétrico ao Canal-1 do osciloscópio.
Apenas com o seu dedo aplique pulsos de pressão no centro do disco e observe a
forma de onda no tempo do pulso elétrico obtido.
b) Utilizando o modo Single do osciloscópio digital, aplique um único pulso de
pressão com o seu dedo e obtenha o registro da forma do pulso elétrico resultante,
em função do tempo. Anote os valores de pico.
VP (Positivo) = 33 [ volts ] VP (Negativo) = 19 [ volts ]
c) Use o disco piezoelétrico como um microfone, para captar as vibrações
sonoras obtidas com um Gerador de Funções ligado a um alto falante (Sugestão:
Use um APP, como o Keuwlsoft Function Generator, no seu Smartphone), Usando a
função MATH FFT do osciloscópio digital (Canal-1) registre o espectro do sinal
obtido identificando para qual frequência é obtida a máxima sensibilidade do disco
piezoelétrico.
f = 6450 [ Hz ]
Parte-II: Efeito Piezoelétrico Inverso
Utilize o Disco Piezoelétrico como autofalante, conectado ao Gerador de
Sinais. Ajuste uma forma de onda senoidal, com amplitude de 20 volts pico-a-pico.
Determine a menor frequência em que a intensidade do som gerado é a mais
intensa (Sugestão: Use um APP como o Raspberrywood Spectrum Analyser, com
medidas em decibéis). Explique a razão do valor máximo encontrado nesta
frequência específica, sabendo que a velocidade do som no ar é de
aproximadamente 340 m/s.
f = 6449 [ Hz ]
Parte-III: Gerador Piezoelétrico
Construa o circuito (figura) que utiliza o disco piezoelétrico para converter
pulsos de energia mecânica em energia elétrica na forma de uma tensão DC. Gere
energia que será acumulada no capacitor, aplicando 10 (dez) pulsos consecutivos
ao disco piezoelétrico com o seu dedo. Observe o gráfico no tempo da tensão no
capacitor na tela do osciloscópio e calcule quanta energia é gerada na média por
pulso.
Energia Média por Pulso = 1*10e-7 [ Joule ]
Questionário
a) Pesquise o tipo de material piezoelétrico usado na construção de
Atuadores Piezoelétricos, em uma determinada aplicação tecnológica, e procure
justificar a razão de ter sido adotado. Cite as suas fontes.
Resposta:
Os atuadores piezoelétricos mais encontrados no mercado, são os feitos de
Titanato zirconato de chumbo(pzt) e envolvidos por uma camada de termoplástico
Fluoreto de polivinilideno, coberto por uma almofada de atrito, que é responsável
por transmitir os estímulos do atrito ou pressão para o dispositivo.
Um exemplo de aplicação tecnológica dos atuadores piezoelétricos é na
fabricação de baterias eletrônicas, onde a batida com a baqueta nos pads da
bateria, é convertido em pulso de energia elétrica, que consequentemente gera um
som. Dependendo da pressão aplicada, pode-se ter um pulso de tensão maior ou
menor, que também muda a sonoridade.
Fontes:
https://www.netinbag.com/pt/manufacturing/what-is-a-piezo-linear-actuator.html
b) Pesquise e descreva os detalhes de um Sistema Piezoelétrico de Geração
de Energia utilizando um array de transdutores piezoelétricos, relatando qual fonte
de energia é usada e obtendo uma estimativa da eficiência de conversão. Cite as
suas fontes.
Resposta:
O gerador piezoelétrico pode ser montado em um array onde, esses discos
de piezo podem ser conectados em série ou paralelo, onde a energia total gerada
pode ser armazenada em um capacitor, ou algum outro componente de
armazenamento de energia. Onde a pressão exercida sobre esses discos de piezo,
gera energia elétrica.
Pode-se utilizar como exemplo, um tênis com um sistema de associação de
discos de piezo, onde ao caminhar, e exercer pressão sobre esses sistema com os
pés, a energia mecânica e cinética do movimento é convertida em energia elétrica, e
armazenada, ou utilizada para acender um led, ou até mesmo carregar o celular
enquanto caminha.
Fontes:
https://semanaacademica.org.br/system/files/artigos/robson.pdf
https://repositorio.ufpb.br/jspui/bitstream/tede/5299/1/arquivototal.pdf
EC6 - Laboratório 6
i) Desenhe o projeto de um array de elementos piezoelétricos fixados em
uma plataforma para a extração de energia das ondas do mar. Especifique o circuito
de Colheita de Energia (Energy Harvesting) para que a energia mecânica das ondas
do mar seja convertida de maneira eficiente em energia elétrica. Proponha como a
energia elétrica gerada pode ser armazenada e depois fornecida, com nível de
tensão regulado. Cite as suas fontes para este projeto.
Resposta:
Fiz o array de uma placa com 16 piezos associados, onde estes piezos estão
conectados em paralelo com 3 capacitores. Essa placa está coberta por um
termoplástico, que é responsável por receber o impacto das ondas. Ao receber o
impacto das ondas, os piezos geram energia que carrega o banco de capacitores.
O circuito pode ser visto abaixo.
ii) Pesquise um Motor Piezoelétrico (Linear ou Rotativo) comercial e
descubra quais são as suas principais aplicações tecnológicas. Relate as suas
características principais (Ex: velocidade, precisão, eficiência, torque ou força linear)
e identifique o material piezoelétrico usado na sua construção. Cite as suas fontes.
Resposta:
Uma das principais aplicações dos motores piezoelétricos é na medicina. Ele
é bastante utilizado em procedimentos cirúrgicos. Proporciona maior precisão nos
cortes, menores sangramentos, além de possuir uma velocidade elevada e alta
confiabilidade. Além do uso na medicina, os motores piezoelétricos também são
utilizados em máquinas de corte, acionamento de válvulas esféricas.
Fonte:
https://www.hisour.com/pt/piezoelectric-motor-42858/