Approfondimento sulla Piezoelettricità
La piezoelettricità rappresenta un fenomeno affascinante che consente la generazione di polarizzazione elettrica attraverso la deformazione meccanica di specifici cristalli come il quarzo, il sale di Rochelle e la tormalina. Questo fenomeno, scoperto da Paul-Jacques e Pierre Curie nel 1880, permette un’interazione tra comportamenti elettrici e meccanici dei materiali, creando una connessione intrigante in presenza di stress meccanico.
Il termine “piezoelettricità” deriva dal greco “πιέζειν”, che significa “premere” o “comprimere”. In modo semplice, questo fenomeno spiega come la pressione meccanica su determinati materiali generi un potenziale elettrico sulla loro superficie.
Durante la Prima Guerra Mondiale, la piezoelettricità fu di vitale importanza per la rilevazione di sommergibili nemici e per i sondaggi marini. Grazie al fisico francese Paul Langevin, venne sviluppata una tecnica che impiegava elementi piezoelettrici di quarzo tra piastre di acciaio per produrre e ricevere ultrasuoni.
Durante la Seconda Guerra Mondiale, fu identificata un’altra forma di piezoelettricità nota come “piezoelettricità indotta”, che coinvolge l’applicazione di un forte campo elettrico su ossidi metallici sinterizzati per allineare i loro domini di dipolo, aprendo nuove possibilità di sviluppo di materiali e applicazioni.
Polarizzazione e Fenomeno Piezoelettrico
Il fenomeno piezoelettrico si manifesta attraverso lo spostamento degli ioni in materiali con una struttura cristallina non simmetrica quando vengono sottoposti a compressione, generando una polarizzazione elettrica. Questa polarizzazione spontanea deriva dalla variazione nelle posizioni relative di elettroni e particelle atomiche cariche, generando un dipolo elettrico.
La capacità di rilevare la differenza di potenziale elettrico generata si ottiene tramite elettrodi collegati alle superfici del cristallo. Questo fenomeno, completamente reversibile, fa sì che il potenziale elettrico scompaia una volta rimosse le forze applicate.
Un concetto chiave è la piezoelettricità inversa, in cui l’applicazione di un campo elettrico esterno a tali materiali induce una deformazione meccanica.
Materiali e Categorie Piezoelettriche
I materiali piezoelettrici offrono una risposta elettromeccanica stabile quando esposti a stimoli elettrici o meccanici. Per potenziare l’effetto piezoelettrico, viene eseguito un processo di polarizzazione che allinea i poli del materiale in una direzione unica, aumentandone l’efficacia. I materiali piezoelettrici includono monocristalli come il quarzo, piezoceramici come il piombo-zirconato di titanio, semiconduttori piezoelettrici come lo ZnO, polimeri come il polivinilidenfluoruro, compositi piezoelettrici e vetroceramiche.
È importante notare che l’effetto piezoelettrico è limitato ai materiali con una struttura cristallina non centrosimmetrica. Le vetroceramiche rappresentano una soluzione interessante per sfruttare le proprietà piezoelettriche in una matrice vetrosa, consentendo una crescita controllata di una fase cristallina.