Piezoelettricità: un fenomeno energetico antico eppure modernissimo

La piezoelettricità è un fenomeno meccanico assai antico ma ancora importantissimo per l’uomo. Magari senza saperlo, lo sfruttiamo ogni giorno. E anche gli Antichi lo facevano. Lo studio sistematico e ragionato di questo meccanismo è arrivato però solo nella seconda metà dell’Ottocento, grazie alle ricerche dei fratelli Curie…

La proprietà piezoelettrica concerne la capacità di alcuni materiali cristallini di polarizzarsi e di deformarsi. La polarizzazione genera una differenza di potenziale elettrico quando i materiali sono soggetti a una deformazione meccanica. La deformazione in maniera elastica avviene quando i materiali sono sottoposti a tensione elettrica.

Quando accendiamo i fornelli, in pratica, assistiamo a una manifestazione di piezoelettricità. A una compressione, per dirla in termini molto semplici. E infatti il termine deriva proprio dal greco antico “comprimere”.

Piezoelettricità e materiali piezoelettrici

La piezoelettricità è in pratica la capacità espressa da alcuni materiali tra la differenza di temperatura e la corrente elettrica prodotta. I già citati fratelli Carrie (Pierre e Paul-Jacques) scoprirono quest’effetto diretto nel quarzo e successivamente, seguendo l’ipotesi di Gabriel Lippmann, scoprirono anche l’effetto piezoelettrico inverso. A tal scopo usarono la tormalina, un minerale della famiglia dei silicati. Capirono così che il fenomeno elettrico poteva essere prodotto in ogni caso se il materiale rilevava una struttura cristallina priva di centro di simmetria.

Ma cosa è quest’effetto piezoelettrico? Una caratteristica tipica dei materiali cristallini, detti genericamente cristalli piezoelettrici. Questi cristalli si polarizzano elettricamente in conseguenza a una deformazione meccanica di natura elastica (effetto piezoelettrico diretto). Viceversa si deformano elasticamente se sottoposti all’azione di un campo elettrico (effetto piezoelettrico inverso o effetto Lippmann). E così il segno della polarizzazione si inverte a seconda che la deformazione sia dovuta a una compressione o a una trazione.

La polarizzazione elettrica segue l’azione meccanica (ma anche viceversa) con un ritardo brevissimo. La risposta quasi istantanea rende quindi i cristalli piezoelettrici adatti come trasduttori elettromeccanici ed elettroacustici ad alta fedeltà (vale a dire accelerometri, microfoni, oscillatori…). Le piezoceramiche, ovvero i materiali ceramici policristallini caratterizzati da elevato coefficiente piezoelettrico, sono usati per realizzare motori miniaturizzati, come quelli che troviamo nelle macchine fotografiche, e attuatori elettromeccanici (comandi di valvole, selettori di aghi nei telai).

Applicazioni antiche e contemporanee

Sono innumerevoli i settori in cui usiamo questa proprietà. Come anticipato, anche il fornello da cucina sfrutta la piezoelettricità. Quando accendiamo il gas sentiamo un ticchettio (tac-tac-tac), che corrisponde alla sollecitazione di un cristallo piezoelettrico. Questo cristallo (che chiamiamo pietrina) genera una scintilla sul candelotto che provoca l’accensione del fornello. Sì, lo stesso vale per gli accendini.

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Anche il SONAR (il sound navigation and ranging), cioè il famoso trasduttore idrofonico che serve alle navi per lanciare un segnale acustico in acqua ed evitare ostacoli, funziona con questa dinamica. Il segnale riflette sull’oggetto e torna indietro dove viene letto e tradotto in distanza relativa. Per far ciò serve un segnale elettrico, generato appunto con la piezoelettricità. Anche i nebulizzatori usati in medicina e in contesto industriale si basano sull’azione di un disco piezo-ceramico.

Energia alternativa

E perché non usare questa capacità per produrre energia rinnovabile? Be’, già lo si fa da tempo. C’è chi installa degli immensi tappeti fatti di materiale piezoelettrico per creare energia pulita. Al 100% green. E sapete da dove viene la corrente? La generazione di elettricità avviene sfruttando i passi della gente che ci cammina…

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Secondo tutti gli studi più recenti queste piastrelle piezo-ceramiche possono creare elevata energia. Più le piastrelle sono piccole e maggiore è l’efficienza di trasformazione dell’energia meccanica (tramite pressione) in energia elettrica. Ecco il PEH. Già: così si chiama questo processo di produzione e accumulo di energia, a uso immediato.