Materiali piezoelettrici

I Materiali Piezoelettrici

Un estratto del lavoro di ricerca finale del Corso di Nanotecnologie e materiali funzionali per il design – Politecnico di Milano.
Di Carolina Ferrari, Luigi Mura, Davide Oriani, Nicolò Stivanello.

La piezoelettricità è la capacità di alcune classi di materiali di sviluppare, se sottoposti a stimoli esterni, cariche superficiali o deformazioni meccaniche.

La scoperta dell’effetto piezoelettrico risale al 1880 ad opera dei F.lli Curie che osservarono e successivamente documentarono  tale proprietà nella struttura cristallina di alcune classi di materiali. Tra le 32 classi di simmetria cristallina analizzate 20 manifestavano il suddetto effetto.  La prima applicazione industriale della piezoelettricità risale alla prima guerra mondiale con la produzione di misuratori al quarzo per generare onde acustiche. Il loro utilizzo era indirizzato  all’individuazione dei sottomarini in immersione.Materiali piezoelettrici

Effetto piezoelettrico diretto e inverso

Affinché un cristallo manifesti effetto piezoelettrico deve presentare una struttura non centro-simmetrica. Tale struttura predispone il materiale a due risposte differenti in relazione allo stress subito. Nell’effetto diretto, lo stress (trazione o compressione) induce  una polarizzazione sulla superficie esterna del materiale (Es. applicativi: trasduttori di pressione, accelerometri, sensori) . Nell’effetto inverso, in seguito ad applicazione di un campo elettrico, il materiale produce deformazione meccanica (Es. applicativi: risonatori piezoelettrici, attuatori in generale).

Materiali piezoelettrici

Proprietà correlate: piroelettricità e ferro-elettricità    

Per comprendere meglio l’effetto piezoelettrico si rimandano alcune proprietà ad esso strettamente correlate legate ai parametri strutturali del materiale.

La Piroelettricità ad esempio rappresenta il cambiamento di polarizzazione del materiale (ΔP) in seguito ad una variazione di temperatura in assenza di un campo elettrico esterno. Tale fenomeno è presente nei materiali dotati di dipolo elettrico (squilibrio di carica nelle celle elementari che compongono la struttura cristallina del materiale) in condizione di non distorsione senza cioè stress esterni. Per la mancanza (a volte) del dipolo elettrico in condizioni di non distorsione non tutti i piezoelettrici sono piroelettrici.

La Ferro-elettricità invece è la capacità del cristallo di invertire il proprio dipolo elettrico in modo reversibile sotto l’azione di un campo elettrico di adeguata intensità. Anche in questa proprietà risulta indispensabile il momento di dipolo elettrico, ciò indica che i materiali ferro-elettrici sono anche piroelettrici.

Materiali piezoelettrici

 

Polarizzazione

I materiali ferro-elettrici possono essere resi piezoelettrici attraverso il fenomeno della polarizzazione. Ciò avviene tramite applicazione di un campo elettrico di adeguata intensità tale da allineare il vettore di polarizzazione di ogni dominio in direzione del campo applicato. I domini consistono in una serie di micro-domini (piccole porzioni di materiale) in cui i dipoli elettrici sono orientati nello stesso modo. In condizioni di non distorsione i domini sono disposti in maniera casuale, ciò rende la polarità risultante totale pari a zero. In seguito ad applicazione di campo elettrico i domini vengono indirizzati secondo direzioni preferenziali tali da rendere il dipolo netto totale non più nullo. Il rilascio dello stress elettrico non provoca alterazioni e il dipolo rimane pressoché invariato. Da questo momento in poi il materiale assume gli stessi comportamenti elettrici del cristallo naturale.Materiali piezoelettrici

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