Piezoeletricidade e Ferroeletricidade

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Piezoeletricidade e Ferroeletricidade
Física II
Profª: Erika Cabral
O QUE É PIEZOELETRICIDADE ?
Piezoeletricidade é a capacidade de alguns cristais gerarem tensão elétrica por resposta a uma pressão mecânica. O termo piezoeletricidade provém do grego (piezein), que significa, apertar/pressionar. Referente a geração de corrente elétrica, juntou-se a designação eletricidade, de modo que piezoeletricidade é interpretado como a produção de energia elétrica devido a compressão sobre determinados materiais.
MECANISMO
O efeito piezoelétrico é entendido como a interação eletromecânica linear entre o força mecânica e o estado elétrico (forças de Coulomb) em materiais cristalinos (cerâmicos, polímeros).
O efeito piezoelétrico é um processo reversível em que os materiais exibem o efeito piezoelétrico direto (a geração interna de carga elétrica resultante de uma força mecânica aplicada) também exibem o efeito piezoeléctrico reverso (a geração interna de uma tensão mecânica, resultante de um campo elétrico aplicado). Por exemplo, os cristais de titanato zirconato de chumbo irão gerar piezeletrecidade mensurável quando a sua estrutura estática é deformada por cerca de 0,1% da dimensão inicial. Por outro lado, esses mesmos cristais mudam cerca de 0,1% da sua dimensão estática quando um campo elétrico externo é aplicado ao material. Como exemplo, o efeito piezoelétrico inverso é usado na produção de ondas de ultrassom. 
O fenômeno piezoelétrico é encontrado em aplicações úteis, como a produção e detecção de som, a geração de tensões elevadas, geração de frequências eletrônicas, micro balanças e concentração ultrafina de conjuntos ópticos.
É também a base de uma série de técnicas científicas instrumentais com resolução atômica (microscopia de varredura de sonda), e os usos cotidianos, como atuando como fonte de ignição para isqueiros de faísca elétrica, microfones, e as famosas "pílulas" ou cápsulas de guitarra (embora sejam utilizadas em guitarras acústicas, baixos, violoncelos e outros), que representam uma espécie de microfone.
O projeto mais arrojado, porém, refer-se a utilização do materiais piezoelétricos em ruas e estradas, onde a pressão causada pela movimentação dos carros podem ser usados para gerar eletricidade de forma barata.
As transformações que ocorrem em cada material:
Exemplos de transformações mecânico-elétrica:
Medidor de pressão;
Microfone;
Isqueiro elétrico;
Alarme antifurto;
Agulha do toca-discos.
Exemplos de transformações elétrico-mecânica:
Ultrassom;
Nebulizadores;
Aparelhos elétricos contra mosquitos;
Alto-falantes
SENSORES PIEZOELÉTRICOS
Os sensores piezoelétricos mensuram determinados parâmetros físicos, que estão na forma de tensão mecânica ou variações de cargas elétricas. Estes são utilizados para se medir pressão cardíaca e registrar os batimentos cardíacos, emitir ou recepcionar ultrassons a fim de visualizar órgãos humanos através da conversão da energia proveniente das ondas emitidas pelo funcionamento dos órgãos que faz vibrar uma lâmina de material piezoelétrico. Resumidamente, quando se aplica tensão mecânica, há o aparecimento de um potencial elétrico; quando a tensão aplicada for de natureza elétrica, temos uma deformação física.
O princípio de funcionamento de um sensor piezoelétrico reside no fato de que dada dimensão física, pela ação de uma força, é deformada. Dependendo da concepção de um sensor, "modos" diferentes de polarização sobre o elemento piezoelétrico podem ser usados (eles podem ser comprimidos transversalmente, longitudinalmente, ou pela ação de cisalhamento).
A detecção de variações de pressão sob a forma de ondas sonoras é a aplicação mais comum do sensor. Por exemplo, microfone piezoelétricos, onde ondas sonoras batem no material piezoelétrico, criando uma tensão que varia. Captadores piezoelétricos funcionam pelo mesmo princípio em guitarras eletroacústicas.
Guitarra eletroacústica
Sensores piezoelétricos mais acurados são utilizados com som de alta frequência (acima de 20000 Hz) em transdutores de ultrassom para imagens médicas. Cada transdutor possui uma frequência de ressonância natural, tal que quanto menor a espessura do cristal que o compõem, maior será a sua frequência de vibração e melhor será o sinal que este gerará ou será capaz de emitir.
PADRÃO DE FREQUÊNCIA
Materiais piezoelétricos são empregados em relógios como osciladores. Um cristal de quartzo, que utiliza uma combinação dos efeitos de piezoeletricidade direta e inversa para gerar uma série regular de impulsos elétricos cronometrado, que marcam o tempo. O cristal de quartzo (como qualquer material elástico) tem uma frequência natural definida com precisão (devido a sua forma e tamanho), e este é utilizado para estabilizar a frequência de uma voltagem periódica aplicada ao cristal.
O mesmo princípio é aplicado em todos os transmissores e receptores de rádio, e em computadores onde ele cria um pulso de clock. Ambos costumam usar multiplicadores de frequência para atingir faixas gigahertz.
SONAR
Pelos estudos de Leonardo DaVinci no século XV, temos uma descrição simplista, porém clara, da ação de um sonar:
"Se você estiver no meio do oceano, e parar seu navio, posicionando um longo tubo em direção ao fundo do mar e colocando a outra extremidade próxima de seu ouvido, você ouvirá navios a grande distância de você.“
Qualquer outra descrição difere somente em detalhes.
O estudo da natureza das ondas sonoras na água e o modo como elas se propagam permitiu com que se construíssem sistemas acústicos para observação e mapeamento de solos embaixo d'água. Sensores capazes de identificar a energia de ondas acústicas embaixo d'água são chamados Hidrofones, feitos a partir de materiais piezoelétricos.
Os sonares funcionam pela propagação de ondas acústicas (criadas através de sinais digitais eletrôncos) sendo que ele também recebe a volta o sinal acústico que emitiu. Construído com materiais piezoelétricos, este utiliza da energia das ondas para fazer vibrar (sonar) uma película fina que converte a energia proveniente das ondas reverberadas novamente em pulsos elétricos, mas agora com outras intensidades, que são então decodificados em um computador, tratadas, e gerar imagens de regiões abaixo d'água.
Os sonares eletroacústico são então sistemas muito sensíveis, e desta forma, também são muito suscetíveis a distúrbios e interferências na recepção do sinal. Este tipo de sonar, portanto, ainda é muito estudado e muitos materiais piezoelétricos são testados para que se consiga a melhor relação entre as dificuldades apresentadas por mares e oceanos e pela tecnologia empregada.
FERROELETRICIDADE
A ferroeletricidade é um fenômeno apresentado por alguns cristais, que possuem dois centros de cargas elétricas com sinais opostos, estes chamados de dipolos, que são separados por uma pequena distância. Esses dipolos podem ser direcionados por meio de um campo elétrico e aplicados ao material, processo este, que pode ser chamado de polarização, permitindo o arquivamento de sinais eletrônicos em diversas aplicações. Vários fatores entram em processo de criação de ferroeletricidade, e são capazes de aproveitar a energia para o uso construtivo. Várias são as condições necessárias para produzir ferroeletricidade, bem como também muitas utilizações diferentes podemos ter para a ferroeletricidade atualmente .
Medidor de ferroeletricidade para medir as propriedades ferroelétricas dos materiais.
Os materiais que possuem propriedades ferroelétricas são fisicamente ligados a uma malha que pode ser utilizada como um condutor. Os materiais, por sua vez podem ser cobertos com um material condutor, que basicamente transformará a combinação de malha, material, e condutor em um capacitor elétrico. A função dos capacitores é a de um repositor para a energia que é gerada, bem como se tornar a fonte de energia para utilização posterior. Isto cria uma situação em que qualquer coisa que altere a malha também sofrerá impacto dos materiais,e resultam em um fluxo de corrente para dentro e para fora do capacitor.
Enquanto o público em geral não sabe muito sobre ferroeletricidade, o fato é que quase todos os benefícios de sua utilização são encontradas em nosso cotidiano. Por exemplo, computadores modernos muitas vezes fazem uso de memórias RAM ferroelétrica, o que significa que a capacidade de memória do computador é melhorada pela utilização de ferroeletricidade. Estas memórias ferroelétricas de acesso aleatório possuem características não voláteis, ou seja, uma vez expurgada a energia, os dados continuam armazenados. O problema é que estas memórias perdem a polarização com o tempo de uso, de acordo com o número de ciclos. O processo para a produção de ferroeletricidade também é empregado no campo da medicina, em particular com equipamentos que são utilizados para realizar os procedimentos de ultrassom.
Outros dispositivos comuns utilizados em ambientes domésticos, comerciais e industriais que utiliza a geração de ferroeletricidade são os equipamentos como sensores de calor e detectores de movimento que são comumente utilizados em projetos de segurança contra incêndios e sistemas de vigilância. Mesmo os automóveis se aproveitam deste benefício, como por exemplo, em alguns injetores de combustível em motores diesel, que utilizam a ferroeletricidade, com o intuito de controlar a mistura de combustível no motor.
OBRIGADO !