Nel 1880 i fratelli J. e P. Curie scoprirono che i cristalli di tormalina erano dotati della proprietà di manifestare una carica elettrica, se sottoposti a stress meccanico, e verificarono che tale carica elettrica risultava essere proporzionale allo stress meccanico applicato. Poco tempo dopo si osservò anche l’effetto opposto e cioè che gli stessi cristalli subivano una deformazione meccanica (strain) se sottoposti ad un campo elettrico. Questi due effetti definirono la piezoelettricità.
Per giungere alla comprensione dei fenomeni che stanno alla base della piezoelettricità nelle ceramiche e in seguito all'ideazione di nuovi materiali dotati di questa caratteristica furono necessari tre passi fondamentali verificatisi dal 1940 in poi:
- La scoperta di materiali con elevata costante dielettrica;
- La scoperta che la causa di tale elevata costante dielettrica è la ferroelettricità;
- La scoperta del processo di polarizzazione.
In seguito a queste tre scoperte furono prodotti diversi materiali che sfruttano la piezoelettricità. I materiali piezoelettrici moderni, siano essi ceramici o meno, sono ormai presenti in decine di campi applicativi diversi, tanto che un elenco completo di tutte le loro possibili utilizzazioni sarebbe molto difficile e complicato. Di conseguenza è preferibile descrivere l’uso che viene fatto di questi materiali operando una suddivisione in base al principio fisico utilizzato (effetto piezoelettrico diretto o inverso).
Rientrano nell’utilizzo basato sull'effetto piezoelettrico diretto (che consente nel trasformare deformazioni del materiale piezoelettrico in cariche o tensioni elettriche) i generatori e i sensori piezoelettrici.
Un esempio molto comune di generatore di tensione si può avere negli accendigas.
Il principio di funzionamento è rappresentato in figura 1 (a). In alternativa i generatori di tensione possono essere utilizzati come vere e proprie batterie per caricare condensatori destinati all’alimentazione di circuiti elettronici (figura 1 (b)).
Figura 1: Generatori piezoelettrici: (a) accendigas; (b) “batteria” piezoelettrica
- Nel campo sensoristico la tensione generata dalle sollecitazione meccanica viene misurata, o comunque elaborata , per ottenere informazioni sulla sollecitazione stessa. In questo settore rientrano tutti i sensori di accelerazione e di forza e sensori acustici.
La tipologia di questi sensori può essere molto varia ma sostanzialmente riconducibili agli schemi di principio rappresentati in figura 2.
Figura 2: Sensori di accelerazione/forza e acustici :
(a) sensore di accelerazione; (b) sensore di forza; (c) sensore acustico
2)
Sono basati sull’effetto piezoelettrico inverso (che consente di convertire i segnali elettrici applicati ad un componente piezoelettrico in deformazioni meccaniche del componente stesso) tutti i dispositivi attuatori.
- I Piezo-attuatori sono molto utilizzati in ottica e sono in grado di aggiustare la posizione di lenti e specchi con precisione dell’ordine del nanometro. Il principio di funzionamento su cui si basano i piezo-attuatori ottici è rappresentato i figura 3.
Figura 3: Attuatore ottico
- Gli attuatori piezoelettrici vengono utilizzati per applicazioni in cui l’ampiezza dello spostamento non è influente ma viene richiesto un notevole trasferimento di energia. Tra le applicazioni più comuni in cui vengono usati gli attuatori piezoelettrici vanno ricordati i generatori di ultrasuoni utilizzati nella diagnostica medica e i bagni ultrasonici per la pulizia di piccoli oggetti.
Un’applicazione dei materiali piezoelettrici molto interessante è rappresentata dal trasformatore piezoelettrico. Questo dispositivo non può essere classificato né come sensore, né come attuatore. Il trasformatore piezoelettrico può essere considerato come un dispositivo che sfrutta contemporaneamente sia l’effetto diretto che l’effetto inverso della piezoelettricità.
In questa tesi si è studiato come può essere sfruttata la piezoelettricità per realizzare tale trasformatore. In particolare nel primo capitolo si sono introdotti i materiali piezoelettrici e le loro proprietà elastiche, dielettriche e piezoelettriche soffermandosi con maggior attenzione sulle equazioni di stato della piezoelettricità.
Nel secondo capitolo viene mostrato, brevemente, come ricavare da un materiale piezoelettrico tutte le informazioni necessarie per caratterizzarlo: si sono studiati i metodi di misura per calcolare i coefficienti elastici, dielettrici e piezoelettrici del materiale ceramico in esame.
Nel terzo capitolo viene introdotto il trasformatore piezoelettrico. In tale capitolo si è costruito il modello del trasformatore piezoelettrico in termini di circuito equivalente; particolare attenzione è stata posta sul guadagno di tensione a vuoto che con il trasformatore piezoelettrico si può ottenere in base alla sua particolare geometria.
Nel quarto capitolo si è parlato del processo ceramico, con particolare attenzione riguardo il processo di polarizzazione dei materiali piezoelettrici.
Infine, nel quinto capitolo vengono riportati i dati sperimentali di tutto il lavoro svolto presso i laboratori dell’IRTEC-CNR di Faenza. Vengono inoltre illustrate alcune tecniche utilizzate per polarizzare il trasformatore e per far in modo che esso funzioni con il massimo guadagno di tensione, quando sottoposto a particolari carichi.