trabalho de materiais elétricos

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA - UNESP 
FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA 
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
 
 
 
 
Trabalho de Materiais Elétricos 
Piezoeletricidade: Materiais e Aplicações 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Nome: Angelo Antonio de Carvalho Bonvicine 
RA: 142054909 
Data: 21/07/2016 
MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS 
 
Neste trabalho, abordaremos alguns conceitos a respeito de Piezoeletricidade e 
suas aplicações. 
I - Introdução 
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, sendo de grande importancia nos 
dias atuais. 
Descoberto pelos irmãos Pierre e Jacques Curie na França, em 1880, o 
efeito piezoelétrico é apresentado em cristais. Os irmãos Curie, no entanto, não 
previram o efeito piezoelétrico inverso. O efeito inverso foi matematicamente 
deduzido de princípios fundamentais da termodinâmica por Gabriel Lippmann 
em 1881. Os Curie imediatamente confirmaram a existência do efeito inverso, o 
que evidenciou de forma quantitativa a reversibilidade completa de eletro-
mecânico para as deformações em cristais piezoelétricos. 
Nas décadas seguintes, a piezoeletricidade permaneceu como sendo 
uma curiosidade de laboratório. Mais trabalho foi feito para explorar e definir as 
estruturas cristalinas que tinham a propriedade de gerar corrente elétrica. Isso 
culminou no ano de 1910, com a publicação do livro de Woldemar Voigt Lehrbuch 
der Kristallphysik *, que descreve 20 classes de cristais naturais capazes de 
gerar corrente quando submetidos a pressão mecânica, e rigorosamente 
definidas as constantes piezoelétricas usando análise tensorial. 
*tradução do autor: Guia de física dos cristais 
 
II - Mecanismo 
 
Figura 1 – Disco pizoeletrico, gerando tensão quando comprimido 
Fonte: google 
O efeito piezoelétrico é entendido como a interação eletromecânica linear 
entre a 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 piezoelétrico 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 
piezoeletricidade 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 ultra-som. 
III - Cristais 
Utilizando argumentos referentes a simetria, o efeito piezoelétrico não 
existe em materiais que apresentam simetria central, e desta forma, podem ser 
polarizados, ou seja, a piezoeletricidade pode ser explicada pela assimetria de 
polarização iônica. Porém, elementos puros, tais como selênio (Se) e telúrio (Te) 
também exibem a propriedade de piezoeletricidade. Nestes casos, a polarização 
elétrica induzida é atribuída a distribuição eletrônico que é alterada pela ação 
externa. 
 
Figura 2: Chip a base de cristal Piezo-Silicone 
Fonte: http://www.lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico 
Considerando as trinta e duas classes de cristais catalogados, 21 não são 
centrossimétricos (não possuem centro de simetria); vinte destes exibem 
piezoeletricidade direta; dez destes representam as classes de cristal polares, 
que mostram uma polarização espontânea, sem estresse mecânico devido a um 
momento de dipolo elétrico permanente. Se o momento de dipolo pode ser 
revertido através da aplicação de um campo elétrico externo, então o material é 
considerado ferroelétrico. 
Para cristais polares, para o qual P (momento de dipolo) diferente de zero 
(P ≠ 0) mantém sem se aplicar uma carga mecânica, o efeito piezoelétrico 
manifesta-se alterando a magnitude ou a direcção do P ou ambos. Para os 
cristais não-polares, mas piezoelétricos, a polarização P diferente de zero é 
apenas induzida pela aplicação de uma carga mecânica. Para eles, a tensão 
pode ser imaginada para transformar o material a partir de uma classe de cristal 
não polar (P = 0) para uma polar, onde P ≠ 0. 
A maioria dos cristais não possui propriedades piezoelétricas. O mais 
importante cristal natural que possui esta propriedade, porém, é o quartzo. Além 
deste, pela facilidade de sintetização, os cristais utilizados são cerâmicas à base 
de, por exemplo, titanato de bário ou zirconato de chumbo. 
 
 
IV – Cerâmicas 
As cerâmicas piezoelétricas são corpos maciços semelhantes aos 
utilizados em isoladores elétricos, são constituídas de inúmeros cristais 
ferroelétricos microscópicos inclusive são denominadas como policristalinas. 
Particularmente nas cerâmicas do tipo PZT, estes pequenos cristais possuem 
estrutura cristalina tipo Perovskita, que apresenta simetria tetragonal, 
romboédrica ou cúbica simples, dependendo da temperatura em que o material 
se encontra. Estando abaixo de uma determinada temperatura crítica, conhecida 
como temperatura de Curie, a estrutura Perovskita apresenta a simetria 
tetragonal em que o centro de simetria das cargas elétricas positivas não 
coincide com o centro de simetria das cargas negativas, dando origem a um 
dipolo elétrico. A existência deste dipolo elétrico faz com que a estrutura 
cristalina se deforme na presença de um campo elétrico e gere um deslocamento 
elétrico quando submetida a uma deformação mecânica, o que caracteriza o 
efeito piezoelétrico inverso e direto respectivamente. 
A deformação mecânica ou a variação do dipolo elétrico da estrutura 
cristalina da cerâmica não implica necessariamente em efeitos macroscópicos, 
visto que os dipolos se arranjam em domínios ferroelétricos, que por sua vez se 
distribuem aleatoriamente no material policristalino. Para que ocorram 
manifestações macroscópicas é necessária uma orientação preferencial destes 
domínios, conhecida como polarização. Inclusive esta polarização se esvaece 
com o tempo e uso, inutilizando o material para a transformação de energia 
elétrica em mecânica, 
 
 
V - Aplicações 
O fenômeno piezoelétrico é encontrado em aplicações úteis, como a produção 
e detecção de som, a geração de tensões elevadas, geração de frequências 
eletrônicas, microbalanças 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, 
refere-se à 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; 
 Alarmeantifurto; 
 Agulha do toca-discos. 
Exemplos de transformações elétrico-mecânicas 
 Ultrassom; 
 Nebulizadores; 
 Aparelhos elétricos contra mosquitos; 
 Alto-falantes 
O cristal, 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 
piezoelétrico 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. Também conhecido por estudantes de 
Engenharia Eletrônica pelo termo técnico XTAL. 
 
Figura 3 – Módulos de Ceramica Piezoeletrica, para auto-falante 
Fonte:www.aliexpres.com 
 
Referências: 
Padilha, Angelo Fernando (1997). Materiais de engenharia 
Rezende, Sergio Machado (2004). Materiais e Dispositivos Eletrônicos