L’effetto piezoelettrico si riferisce al fenomeno in cui alcuni materiali generano una carica elettrica in risposta allo stress meccanico applicato. Al contrario, questi materiali si deformano anche se sottoposti a un campo elettrico. Questa duplice capacità di convertire l’energia meccanica in energia elettrica (e viceversa) è nota come effetto piezoelettrico. Si trova nei cristalli, nella ceramica e in alcuni materiali biologici, consentendo loro di agire come sensori, attuatori e trasduttori in varie applicazioni tecnologiche.
L’effetto piezoelettrico è definito come la generazione di carica elettrica o tensione su determinati materiali quando vengono sollecitati o deformati meccanicamente. Questo effetto fu scoperto per la prima volta da Pierre Curie e Jacques Curie nel 1880, inizialmente osservato in cristalli come il quarzo, che mostravano polarizzazione elettrica quando sottoposti a pressione meccanica. Il fenomeno nasce a causa dell’asimmetria nella struttura cristallina dei materiali piezoelettrici, consentendo loro di convertire l’energia meccanica in energia elettrica e viceversa con elevata efficienza.
La piezoelettricità implica la capacità di alcuni materiali di generare una carica elettrica in risposta allo stress meccanico applicato. Un esempio di piezoelettricità si trova nei cristalli di quarzo utilizzati negli orologi al quarzo. In questi dispositivi, la pressione meccanica o lo stress applicato al cristallo ne provoca una leggera deformazione, generando una piccola carica elettrica sulle sue superfici. Questa carica viene quindi utilizzata per alimentare i circuiti di cronometraggio dell’orologio o per sincronizzarne il funzionamento con uno standard di frequenza esterno. La stabilità di frequenza precisa e affidabile dei cristalli di quarzo li rende ideali per l’uso nel cronometraggio e nelle applicazioni elettroniche dove la precisione è fondamentale.
Un dispositivo piezoelettrico è qualsiasi dispositivo che utilizza l’effetto piezoelettrico per convertire l’energia meccanica in energia elettrica o viceversa. Questi dispositivi sono costruiti con materiali piezoelettrici come quarzo, ceramica come titanato zirconato di piombo (PZT) o alcuni polimeri. Gli esempi includono sensori piezoelettrici utilizzati in applicazioni industriali per rilevare pressione, forza o accelerazione e attuatori piezoelettrici utilizzati nei sistemi microelettromeccanici (MEMS) per controllare con precisione il movimento o le vibrazioni. I dispositivi piezoelettrici vengono utilizzati anche nell’imaging ecografico medico, nella raccolta di energia dalle vibrazioni e nei trasduttori acustici.
La fisica alla base della piezoelettricità risiede nella struttura cristallina dei materiali piezoelettrici. Questi materiali hanno un reticolo cristallino non centrosimmetrico, il che significa che le loro cariche positive e negative non sono distribuite simmetricamente. Quando si applica uno stress meccanico a tale materiale, si provoca uno spostamento delle cariche positive e negative all’interno del reticolo cristallino, determinando un momento di dipolo elettrico e la generazione di un campo elettrico. Al contrario, quando un campo elettrico viene applicato attraverso il materiale, induce una deformazione meccanica dovuta al riallineamento dei dipoli elettrici. Questo accoppiamento tra stress meccanico e polarizzazione elettrica costituisce la base della piezoelettricità, consentendone l’applicazione in diversi campi che vanno dai sensori e attuatori alla raccolta di energia e ai dispositivi medici.