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Explorando os segredos do efeito piezoelétrico: como os materiais piezoelétricos podem revolucionar as aplicações industriais?
No mundo tecnológico atual, os sensores piezoelétricos estão surgindo gradualmente e se tornando um elemento importante em muitas aplicações industriais. Este dispositivo utiliza o efeito piezoelétrico para medir mudanças de pressão, aceleração, temperatura, deformação e força e convertê-las em cargas elétricas. A palavra "piezo" para efeito piezoelétrico vem da palavra grega que significa "pressionar" ou "apertar". No entanto, a aplicação generalizada desta tecnologia baseia-se numa forte base científica.
A versatilidade dos sensores piezoelétricos os torna uma ferramenta crítica para garantia de qualidade, controle de processos e pesquisa e desenvolvimento em diversos setores.
Embora o efeito Piezoelétrico tenha sido descoberto pela primeira vez por Jacques e Pierre Curie em 1780, foi somente na década de 1950 que o efeito começou a ser amplamente utilizado em sensores industriais. Com o tempo, este princípio de medição amadureceu e mostrou-se extremamente confiável. Hoje, esse tipo de sensor é usado com sucesso em instrumentação médica, aeroespacial, nuclear e até mesmo em sensores de inclinação em eletrônicos de consumo e sensores de pressão em painéis de toque de telefones celulares.
Na indústria automotiva, componentes piezoelétricos são usados para monitorar o processo de combustão em motores de combustão interna. Esses sensores podem ser instalados diretamente em orifícios adicionais na cabeça do cilindro, ou sensores Piezone em miniatura podem ser incorporados no dispositivo de ignição. A ascensão desta tecnologia baseia-se principalmente na sua série de vantagens inerentes. Primeiro, o elevado módulo de elasticidade de muitos materiais Piezo é comparável ao dos metais, mesmo tão elevado como 106 N/m2.
Embora os sensores piezoelétricos sejam sistemas mecatrônicos que respondem à compressão, seus elementos sensores praticamente não apresentam deflexão, o que lhes confere robustez e frequência natural extremamente alta, apresentando excelente desempenho em uma ampla faixa de linearidade.
Além disso, a tecnologia piezoelétrica é insensível a campos eletromagnéticos e à radiação, permitindo realizar medições em ambientes agressivos. Alguns destes materiais, nomeadamente o fosfato de gálio e a turmalina, também são bastante estáveis a altas temperaturas, operando a temperaturas até 1000°C. Ao mesmo tempo, além do efeito piezoelétrico, a turmalina também tem efeito termoelétrico, ou seja, quando a temperatura do cristal muda, pode gerar um sinal elétrico;
Embora os sensores piezoelétricos sejam cada vez mais utilizados na indústria, uma de suas principais desvantagens é que eles não conseguem obter medições verdadeiramente estáticas. Quando forças estáticas são aplicadas a um material piezoelétrico, uma carga fixa é armazenada, mas o sinal logo enfraquece devido ao isolamento imperfeito do material e à redução na resistência interna. No entanto, isso não significa que os sensores piezoelétricos só possam ser usados para processos muito rápidos ou operar sob condições ambientais.
Muitas aplicações piezoelétricas são capazes de gerar medições quase estáticas, e outras até operam em temperaturas acima de 500°C.
Além disso, os sensores piezoelétricos também podem medir ressonância e capacitância simultaneamente para identificar odores no ar. Com o desenvolvimento de equipamentos eletrônicos controlados por computador, o escopo de aplicação dos sensores piezoelétricos continua a se expandir. O que é mais interessante é que os princípios da tecnologia piezoelétrica são refletidos até na natureza. Por exemplo, o próprio colágeno tem propriedades piezoelétricas e é considerado um sensor de forças biológicas.
Os principais princípios operacionais dos materiais piezoelétricos
A forma como os materiais piezoelétricos são cortados determina seus três modos principais de operação: transversal, longitudinal e de cisalhamento. O efeito transversal é que quando uma força é aplicada ao longo do eixo neutro, a carga se move perpendicularmente à direção da força, enquanto o efeito longitudinal é que a carga aplicada é proporcional à força aplicada, resultando em uma carga consistente independentemente do tamanho do material. Finalmente, o efeito de cisalhamento cria uma carga perpendicular à força, novamente independente do tamanho ou formato do componente.
Projeto e materiais do sensor
A tecnologia piezoelétrica é frequentemente usada para medir grandezas físicas, especialmente pressão e aceleração. Os projetos de sensores de pressão normalmente incluem uma membrana e uma base pesada para aplicar pressão em uma direção específica, enquanto os acelerômetros usam uma massa montada em um elemento cristalino para testar o elemento contra as forças exercidas pelas leis do movimento de Newton. Além disso, os sensores são frequentemente sensíveis a múltiplas grandezas físicas, o que requer consideração detalhada durante o projeto.
Atualmente, os materiais dos sensores piezoelétricos são divididos principalmente em três categorias: cerâmica piezoelétrica, materiais de cristal único e materiais piezoelétricos de filme fino. Cada material possui características diferentes e é adequado para diferentes cenários de aplicação.
As cerâmicas piezoelétricas, como a cerâmica PZT, são duas ordens de grandeza mais sensíveis que os materiais monocristalinos naturais e podem ser produzidas através de um processo de sinterização de baixo custo. Contudo, a sensibilidade de tais materiais diminui com o tempo, especialmente em ambientes de alta temperatura. Materiais naturais monocristalinos, como fosfato de gálio e turmalina, apresentam estabilidade virtualmente ilimitada a longo prazo sob as condições corretas de processamento. Além disso, os materiais piezoelétricos de película fina são produzidos principalmente através de vários processos modernos, como pulverização catódica e deposição química de vapor, e suas vantagens são utilizadas em aplicações que exigem alta frequência e tamanho pequeno.
Hoje, à medida que a tecnologia continua a avançar, como utilizar melhor o efeito piezoelétrico para promover futuras aplicações industriais será uma questão que vale a pena ponderar.
