O efeito piezoelétrico refere-se ao fenômeno em que certos materiais geram uma carga elétrica em resposta ao estresse mecânico aplicado. Por outro lado, esses materiais também se deformam quando submetidos a um campo elétrico. Esta dupla capacidade de converter energia mecânica em energia elétrica (e vice-versa) é conhecida como efeito piezoelétrico. Ocorre em cristais, cerâmicas e certos materiais biológicos, permitindo-lhes atuar como sensores, atuadores e transdutores em diversas aplicações tecnológicas.
O efeito piezoelétrico é definido como a geração de carga elétrica ou tensão em certos materiais quando eles são tensionados ou deformados mecanicamente. Este efeito foi descoberto pela primeira vez por Pierre Curie e Jacques Curie em 1880, inicialmente observado em cristais como o quartzo, que exibiam polarização elétrica quando submetidos a pressão mecânica. O fenômeno surge devido à assimetria na estrutura cristalina dos materiais piezoelétricos, permitindo-lhes converter energia mecânica em energia elétrica e vice-versa com alta eficiência.
A piezoeletricidade envolve a capacidade de certos materiais de gerar uma carga elétrica em resposta ao estresse mecânico aplicado. Um exemplo de piezoeletricidade é encontrado nos cristais de quartzo usados em relógios de quartzo. Nestes dispositivos, a pressão mecânica ou o estresse aplicado ao cristal fazem com que ele se deforme levemente, gerando uma pequena carga elétrica em suas superfícies. Essa carga é então usada para alimentar o circuito de cronometragem do relógio ou para sincronizar sua operação com um padrão de frequência externo. A estabilidade de frequência precisa e confiável dos cristais de quartzo os torna ideais para uso em cronometragem e aplicações eletrônicas onde a precisão é crucial.
Um dispositivo piezoelétrico é qualquer dispositivo que utiliza o efeito piezoelétrico para converter energia mecânica em energia elétrica ou vice-versa. Esses dispositivos são construídos a partir de materiais piezoelétricos, como quartzo, cerâmicas como titanato de zirconato de chumbo (PZT) ou certos polímeros. Os exemplos incluem sensores piezoelétricos usados em aplicações industriais para detectar pressão, força ou aceleração, e atuadores piezoelétricos usados em sistemas microeletromecânicos (MEMS) para controlar com precisão o movimento ou a vibração. Dispositivos piezoelétricos também são empregados em imagens médicas de ultrassom, coleta de energia de vibrações e transdutores acústicos.
A física por trás da piezoeletricidade reside na estrutura cristalina dos materiais piezoelétricos. Esses materiais possuem uma rede cristalina não centrossimétrica, o que significa que suas cargas positivas e negativas não estão distribuídas simetricamente. Quando o estresse mecânico é aplicado a tal material, ele causa um deslocamento de cargas positivas e negativas dentro da rede cristalina, resultando em um momento de dipolo elétrico e na geração de um campo elétrico. Por outro lado, quando um campo elétrico é aplicado através do material, ele induz deformação mecânica devido ao realinhamento dos dipolos elétricos. Este acoplamento entre o estresse mecânico e a polarização elétrica constitui a base da piezoeletricidade, permitindo sua aplicação em diversos campos que vão desde sensores e atuadores até captação de energia e dispositivos médicos.