ARTIGO EFEITO PIEZOELÉTRICO (francisco jose de alencar maia)

Prévia do material em texto

EFEITO PIEZOELÉTRICO: SUA APLICAÇÃO NA MECÂNICA E PRODUÇÃO DE ENERGIA LIMPA E RENOVÁVEL
Edimundo da Silva Gomes Neto
Francisco José de Alencar Maia (chicaotab@hotmail.com)
José Claudino de Moura Neto
Marcilio Mariano de Oliveira
Ruan Pabulo
Disciplina: Ótica, Ondas e Eletromagnetismo
Prof: Kleber Jacinto
RESUMO
A palavra piezo vem do grego que significa eletricidade por pressão. O objetivo do presente trabalho é abordar como funciona o cristal piezo elétrico suas aplicações e sensores piezo elétricos e piezo resistivos e seu funcionamento. O fenômeno conhecido como piezo eletricidade foi descoberto nos anos de 1880 pelos irmãos Pierre e Jaques Curie em 1881 o efeito piezo elétrico inverso foi reportado. Em pesquisas realizadas constataram a capacidade de alguns cristais gerarem uma corrente elétrica ao sofrer uma pressão mecânica, também verificaram que as faces desses cristais vibravam ao serem submetidas brevemente a uma diferença de potencial. O seu ramo de aplicação é muito amplo desde a sua descoberta várias tecnologias foram desenvolvidas como a primeira aplicação prática foi realizada durante a primeira guerra mundial na qual se tratava de um sonar. Através de alguns experimentos vamos demonstrar o efeito peculiar desses cristais e a produção de energia renovável.
Palavras-chave: Piezo Elétrico. Ultrassom. Vibrações. Ondas. Energia renovável.
PIEZOELECTRIC EFFECT: IS APPLICATION IN MECHANICAL AND PRODUCTION OF CLEAN AND RENEWABLE
ABSTRACT
The piezo word comes from the Greek meaning electricity pressure goal of this study is to discuss how the piezoelectric crystal their types and applications of piezoelectric and piezo resistive sensors functioning. The phenomenon known as piezoelectricity was discovered in the 1880s by the brothers Pierre and Jacques Curie in 1881 the reverse piezoelectric effect has been reported. In studies performed found the ability of certain crystals to generate an electric current to undergo a mechanical pressure also found that the faces of these crystals vibrated by being subjected briefly to a potential difference. Its field of application and wide since its discovery several technologies have been developed as the first practical application was during the First World War in which he was a sonar. Through some experiment will demonstrate this peculiar effect of some crystals.
Keywords: Piezoelectric; ultrasound; vibrations; waves, renewable energy.
1. INTRODUÇÃO 
 Para que um cristal seja piezo elétrico é preciso que ele não possua centro de simetria, uma vez que essa propriedade física tem sua origem justamente na anisotropia do cristal, ou seja, no fato da resposta do material a um estímulo externo não ser a mesma em todas as direções. Ao ser tensionado, um material piezo elétrico passará a apresentar uma polarização elétrica ou uma mudança de polarização. Assim, se uma pressão mecânica for realizada em um cristal piezo elétrico, ocorrerá uma deformação na sua estrutura, fazendo com que alguns átomos fiquem mais próximos e outros mais distantes. Desta forma, perturbando o balanço entre as cargas positivas e negativas, criando uma diferença de potencial, com cargas negativas e positivas em lados opostos das faces do cristal. O efeito piezo elétrico é fundamental para o desenvolvimento das ondas ultrassônicas encontradas em aparelhos de ultrassonografia em hospitais, como também, são usados em ensaios não destrutivos nas engenharias mecânica e civil.
2. APLICAÇÃO
 As ondas ultrassônicas são geradas por transdutores ultrassônicos, também chamados simplesmente de transdutores. De um modo geral, um transdutor é um dispositivo que converte um tipo de energia em outro. Os transdutores ultrassônicos convertem energia elétrica em energia mecânica e vice-versa. Esses transdutores 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. 
 O Sensor de Detonação (KS) permite que a central detectar batidas de pino no interior do motor. Este sensor é fundamental para a vida do motor, já que, os motores modernos trabalham em condições críticas, pois é constituído por um cristal piezo elétrico, estando fixado na lateral do bloco para eliminar eventuais detonações do motor. Quanto maior a vibração ou batimento, maior o pulso. Os sensores de detonação normalmente são projetados para serem bastante sensíveis para as frequências de batimento (na faixa de 5 a 15k Hz) do bloco do motor. 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 hidrofone e são feitos a partir de materiais piezo elétricos. Os sonares funcionam pela propagação de ondas acústicas (criadas através de sinais digitais eletrônicos), sendo que, ele também recebe a volta o sinal acústico que emitiu. Construído com materiais piezo elétricos, este se 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 decodificadas e tratadas em um computador, e gerar imagens de regiões embaixo da água. É bastante utilizado em circuitos eletrônicos para se gerar o clock de Trigger em certos componentes síncronos do circuito, como contadores, registradores e etc. Os cristais mais utilizados são os de quartzo, embora cristais sintetizados estejam se tornando cada vez mais populares. O cristal piezo elétrico é utilizado, por exemplo, para fazer os relógios de pulso, em que é necessário obter uma alta precisão (até milionésimos de segundo) para exibir as horas, minutos e segundos. As balanças eletrônicas encontradas em supermercados ou aquelas muito precisas usadas em laboratórios de pesquisa têm seu funcionamento baseado no piezo eletricidade.
 O mesmo princípio também é usado no mapeamento de trincas em ensaios não destrutivos. O ensaio por ultrassom caracteriza-se num método não destrutivo que tem por objetivo a detecção de defeitos ou descontinuidades internas, presentes nos mais variados tipos ou formas de materiais ferrosos ou não ferrosos.
3. QUARTZON
 O quartzo é o mineral piezo elétrico (vibra ao receber excitação elétrica, as formas de vibração estão relacionadas com a forma de corte que é feito no cristal) mais importante para indústria eletrônica moderna. A placa de quartzo adequadamente orientada é utilizada como o padrão de frequência de oscilações. A ressonância mecânica dessas placas pode ser ajustada em uma frequência desejada, sendo muito estável devido à propriedade elástica quase perfeita do quartzo e, é transformada em oscilações eletrônicas através do piezo eletricidade.
 Quem imaginaria que o osso é um material piezo elétrico? Fukata e Yasuda (1957) foram os primeiros a observar que cargas elétricas são formadas na face oposta do osso devido a sua deformação mecânica, sendo este efeito devido à molécula de colágeno. A remodelagem óssea é controlada pela polaridade originada pelas cargas compressivas, onde as cargas positivas favorecem a ação dos osteoclastos e as negativas a ação dos osteoblastos. Através dessa descoberta surgiram vários estudos sobre os efeitos do piezo elétrico no osso e demais tecidos do corpo, sendo mostrados em estudos atuais que o mecanismo acústico, o piezo elétrico, o térmico pode acelerar o reparo ósseo. 
4 EXPERIMENTOS
4.1. Demonstração do efeito piezo elétrico direto
MATERIAL UTILIZADO
- Pastilhas piezo elétricas
- Leds de alto brilho
- Fios
- Capacitores
- Placas de acrílicos 
- MultímetroO experimento consiste em projetar uma pista que ao sofrer uma pressão mecânica ou uma vibração vai acionar os cristais gerando uma DDP e produzindo eletricidade a mesma será armazenada para sua utilização. Nossa equipe teve bastante dificuldade em encontrar as pastilhas, mas as mesmas só foram encontradas pela internet. Com os cristais em mãos montamos o protótipo com o auxilio de um profissional na área da eletrônica.
4.2. Demonstração do efeito piezo elétrico inverso
MATERIAL UTILIZADO
-Alarme sonoro dni0516 frequência 4000HZ 80 Decibéis 
 Ao aplicar uma tensão através de uma fonte faz o cristal vibrar em uma determinada frequência produzindo uma onda mecânica (sonora).
4.3. Demonstração do sensor de detonação
MATERIAL UTILIZADO 
- Sensor detonação DS2115
 Esse sensor foi acoplado a uma barra metálica fixada com um parafuso sextavado, e o mesmo foi adicionado a um led de alto brilho e um multímetro para visualizar sua funcionalidade quando é submetido ao choque comprovando sua funcionalidade.
5. CONCLUSÃO
 Apesar de o efeito piezo elétrico ser um conceito conhecido há mais de um século, ainda é um grande campo a ser explorado, pois pouco foi investido em termo de pesquisa, perante o grande beneficio que esta tecnologia pode trazer . Assim, investimentos devem ser feitos visando um conhecimento mais profundo do piezo eletricidade para possíveis descobertas de possíveis materiais que contenham este peculiar efeito, bem como estudos mais profundos sobre os materiais que já são de conhecimento contendo esta característica tão única. Em consequência, aplicações diversas se tornarão efetivas, com certeza. Devido a essa propriedade ímpar de converter energia mecânica em elétrica e o inverso, os materiais piezo elétricos possuem grande potencial na produção de energia limpa e renovável.
6. REFERÊNCIAS
AVANCI, Luis Humberto; Estudos estruturais em materiais orgânicos para óptica não linear usando difração múltipla de raios-x, 1999.
Efeito piezoelétrico #hackleste.org. Disponível em:
https://www.youtube.com/watch?v=BARjmwIN7TU. Acesso em 15 de abril de 2016.
JÚNIOR, Hermes Prado. Efeito Piezoelétrico. Disponível em: http://artesmedicas.com/piezoeletricidade.htm. Acesso em 12 de abril de 2016.
MENEZES, Alan Silva; Difração múltipla de raios-X no estudo das propriedades estruturais da L- histidina hidroclorídrica monohidratada, 2006.
O que é Efeito Piezoelétrico. Disponível em: http://blog.bcend.com.br/o-que-e-efeito-piezoeletrico/. Acesso em 12 de Abril de 2016.
O que é efeito Piezoelétrico?. Disponível em: https://www.passeidireto.com/pergunta/1577323/o-que-e-efeito-piezoeletrico-. Acesso em 15 de abril de 2016.
Plataforma Piezoelétrica. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=G4GPkeaFfeM. Acesso em 15 de abril de 2016.
 
- 
 
.
.