Conhecendo a Piezoeletricidade Uma Nova Forma de Geração de Energia Elétrica

ARMENDANI, Willian Alves [1], VIEIRA, Renato Florentino [2], SOUZA, Reinaldo Vieira de [3], BARROS, Karem [4], VICTOR, Allan [5], FÁBIO, Alex Sander [6]

ARMENDANI, Willian Alves; et. al. Conhecendo a Piezoeletricidade, uma nova forma de geração de energia elétrica. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 1. Vol. 9. pp 314-320. , outubro / novembro de 2016. ISSN: 2448-0959

RESUMO

O presente artigo baseia-se na ideia de gerar energia elétrica limpa e sustentável, utilizando o efeito de piezoeletricidade, que é a capacidade que alguns cristais têm de gerar tensão elétrica por resposta a uma pressão mecânica. No mesmo, serão abordados alguns tópicos como: do que é feito, como utilizá-lo, e se é viável a utilização deste como forma alternativa de geração de energia elétrica.

Palavras-chave: Conversão de energia. Frequência. Quartzo. PZT. Transdutor.

INTRODUÇÃO

Em meio ao grande consumo de energia elétrica, fica cada vez mais evidente que se deve buscar novos meios de obter energia limpa, sustentável e de baixo custo. As formas de geração de energia atuais estão causando grandes impactos ambientais, além de ter um custo elevado como, por exemplo, as usinas nucleares e fotovoltaicas [1]. Com isso, o conceito de sustentabilidade busca soluções para resolver ou minimizar os impactos ambientais.

Segundo a Conferência das Nações Unidas sobre o Homem e o Meio Ambiente (1972), diz que a necessidade de critérios e princípios comuns que ofereça aos povos inspiração para preservar e melhorar o ambiente em que vive, faz do homem ao mesmo tempo obra e construtor do meio ambiente [2], e uma das soluções é a busca por novas formas de obter energias renováveis e sustentáveis, uma opção seria a utilização da piezoeletricidade.

HISTÓRIA

A história da piezoeletricidade começou no ano de 1880 quando ela foi descoberta pelos irmãos Pierre e Jacques Curie, sendo que sua primeira utilização prática foi feita por Paul Langevin no desenvolvimento de sonares durante a primeira guerra mundial. Utilizando cristais de quartzo acoplados a massas metálicas (inventado o transdutor tipo Langevin) para gerar ultrassom na faixa de algumas dezenas de kHz’s. Devido a dificuldade de estimular a fabricação de transdutores (dispositivo que transforma um tipo de energia em outro) feitos de quartzo, por dependerem de geradores de alta tensão, após a primeira guerra mundial começou uma busca por desenvolvimento de matérias piezoelétricos sintéticos [3,4]. A URSS e o Japão desenvolveram durante a década de 40 e 50 as cerâmicas piezoelétricas de Titanato de Bário (BaTiO₃), os EUA desenvolveram as cerâmicas piezoelétricas de Titanato Zirconato de Chumbo, ou PZT’s, (em abreviação a sua formula química  (Pb[Zr_x Ti_1-x]O₃ ),  isto é, eles consistem em cristais mistos de zirconato de chumbo (PbZrO₃) e titanato de chumbo (PbTiO₃)), sendo esta, a mais utilizada nos tempos atuais, devido suas diversas variações [3,4].

DESENVOLVIMENTO

O desenvolvimento das cerâmicas piezoelétricas foi revolucionário. Além de apresentarem melhores propriedades que os cristais após “polarizadas”, também oferecem geometrias e dimensões flexíveis por serem fabricadas através da sinterização de pós cerâmicos conformados via prensagem ou extrusão. Em qualquer escala de frequência ou potência, o elemento ativo e núcleo da maioria dos transdutores ultrassônicos é um material piezoelétrico, que pode pertencer a um dos seguintes grupos [5]:

• Cristais de quartzo.
• Cristais hidrossolúveis.
• Monocristais piezoelétricos.
• Semicondutores piezoelétricos.
• Cerâmicas piezoelétricas.
• Polímeros piezoelétricos.
• Compósitos piezoelétricos.

Destes grupos, as cerâmicas piezoelétricas são o que apresenta a maior flexibilidade de formato e de propriedades, sendo muito utilizadas na construção de equipamentos industriais, que vão desde sistemas de limpeza até sistemas de solda por ultrassom [5].

O efeito piezoelétrico é utilizado em áreas como medicina (aparelho de ultrassom, eletroterapia), música (amplificadores sonoros), balanças, como elementos de sensores e/ou atuadores em amplificações tecnológicas, transformadores, na produção de energia, em detonadores de impacto, geradores de faíscas, atuadores, e em diversas outras aplicações onde o efeito piezoelétrico é útil.

A piezoeletricidade baseia-se na habilidade que alguns cristais têm de gerar carga elétrica quando carregada mecanicamente com pressão ou tensão, o que é denominado como o efeito piezo direto. Mas também exibem o efeito reverso, onde há geração interna de uma tensão mecânica resultante de um campo elétrico aplicado. Por exemplo, os cristais de titanato zirconato de chumbo irão gerar piezoeletricidade mensurável quando a sua estrutura estática é deformada por cerca de 0,1% da dimensão inicial. Por outro lado, esses mesmos cristais mudam cerca de 0,1% da sua dimensão estática quando um campo elétrico externo é aplicado ao material. Como exemplo, o efeito piezoelétrico inverso é usado na produção de ondas de ultrassom [6].

Desconsiderando a simetria do material, o efeito piezoelétrico pode ser representado pelas seguintes equações:

D = dT + ε E (modo direto)                (1)

S = sT + d E (modo inverso)             (2)

D – vetor deslocamento elétrico

d – coeficiente piezoelétrico

T– Tensão mecânica

ε – permissividade dielétrica

E – campo elétrico

S – Deformação

s – coeficiente elástico

De acordo com a equação 1 a piezoeletricidade apresenta relação entre propriedades elétricas (E, D) e na equação 2 propriedades mecânicas (S, T).

As cerâmicas piezoelétricas são formadas por inúmeros cristais ferroelétricos (materiais dielétricos e que não conduz corrente elétrica) microscópios, sendo denominados como policristalinos, em particular nas cerâmicas PLT (em abreviação a sua formula química (Pb1-xLax)TiO3) que possui cristais com estrutura cristalina do tipo Perovskita que possui simetria tetragonal romboédrica[7] ou cúbica simples dependendo da temperatura em que a matéria esta. Estando em uma temperatura abaixo da critica onde a estrutura cristalina do material sofre a transição de fase de simetria tetragonal para cúbica, (temperatura de Curie[8]), a Perovskita apresenta simetria tetragonal em que a simetria das cargas elétricas positivas não coincide com o centro de simetria das cargas negativas, dando origem a um dipolo elétrico [7]. Como pode ser visto na figura 1.a e 1.b abaixo:

Figuras 1.a e 1.b: Estrutura Perovskita das cerâmicas piezoelétricas tipo PZT:  Abaixo da temperatura de Curie e acima da temperatura de Curie, respectivamente [7].

A existência desse dipolo faz com que a estrutura cristalina se deforme quando submetida a uma presença de campo elétrico e gere um deslocamento elétrico quando submetida a uma deformação mecânica, dando origem ao efeito piezoelétrico inverso e direto respectivamente [8].

A deformação mecânica ou a variação do dipolo elétrico da estrutura cristalina da cerâmica não implica necessariamente em efeitos macroscópicos. Para que ocorram essas manifestações é necessária uma orientação preferencial destes domínios, conhecida como polarização[9]. Inclusive esta polarização se esvaece com o tempo e uso, inutilizando o material para a transformação de energia elétrica em mecânica [9].

Estão abaixo listados alguns cristais que sofrem o efeito piezoeletricidade:

• Boracita
• Turmalina
• Quartzo
• Carbonato de Zinco (ZnCO3).
• Calamina
• Topázio.
• Açúcar.
• Sal Rochelle.
• Sal de Seignette (KNaC₄H₄O₆4H₂O), que são cristais hemiédricos com eixos de simetria polares.

Como outros exemplos de materiais temos:

• Titanato de Bário,( BaTiO₃ ).
• Titanato Zirconato de chumbo (PZT, PbZrO₃ ).
• Polivinilo de Flúor (PVDF -(C₂H₂F₂)_n-), que se trata de um polímero flexível.

Dentre esses citados acima, o PZT é um dos mais eficientes e pode converter até 80% da energia mecânica em elétrica. Segundo o cientista Michael McAlpine o PZT chega a ser 100 vezes mais eficiente do que o quartzo [10].

É possível também, produzir materiais que terão o mesmo comportamento: as chamadas de cerâmicas piezoelétricas. Uma das vantagens na fabricação destas cerâmicas é a varias formas e tamanhos possíveis.

Mas os avanços em tecnologias estão possibilitando aperfeiçoar cada vez mais essas cerâmicas piezoelétricas, aumentado ainda mais suas aplicações. O conhecimento das propriedades e aplicações das cerâmicas possibilita a melhor escolha do material a ser usado, tendo conhecimento destas características, é possível conhecer suas principais limitações, dos quais pode-se citar essas três [11]:

• Envelhecimento natural e acelerado pelas condições de uso.
• Instabilidade das propriedades em função de variações de temperatura.
• Limites de excitação elétricos e mecânicos, sendo a temperatura e suas variações as principais protagonistas destas limitações.

Espera-se que essas limitações possam servir de motivação para o desenvolvimento e aprimoramento de novas tecnologias que eliminem essas desvantagens, aumentando ainda mais suas aplicações.

CONCLUSÃO

Com o grande consumo da energia elétrica, consequentemente, resultando no esgotamento de recursos naturais, faz-se necessário buscar meios alternativos para suprir essa demanda de consumo, mas que causem o menor impacto ambiental possível. Na natureza descobriu-se que há certos cristais que conseguem através de meios específicos obterem energia elétrica limpa e de baixo custo, usando o efeito piezoelétrico. Com os avanços tecnológicos foram criadas as cerâmicas piezoelétricas com uma vasta área de aplicações e moldes, além de ser uma excelente área de estudo que poderá trazer grandes progressos no futuro da engenharia. Visando a produção de energia, é uma aplicação que pode ser implementado em qualquer lugar, onde haja fluxo, seja de pessoas ou automóveis, utilizando a energia dissipada no solo pelo simples fato das pessoas caminharem ou os automóveis rodarem nas ruas, podendo através dessas cerâmicas piezoelétricas aproveitar essa energia mecânica convertendo-a em elétrica, minimizando assim os impactos ambientais que uma usina pode causar no meio ambiente.

REFERÊNCIAS

[1] Frasão, Lucas; Barra, Mário; Meniconi,Tadeu. Entenda como a geração de energia elétrica afeta o meio ambiente. G1. São Paulo, 26 mar. 2011. Disponível em: <http://g1.globo.com/ciencia-e-saude/noticia/2011/03/entenda-como-geracao-de-energia-eletrica-afeta-o-meio-ambiente.html>. Acesso em: 10 set. 2016.

[2] United Nations Environment Programme(UNEP), Declaração da conferência das Nações Unidas sobre o Homem e o Meio Ambiente, 1972. Disponívelem: <http://www.unep.org/Documents.multilingual/Default.asp?DocumentID=97&ArticleID=1503>. Acesso em: 10 set. 2016.

[3] SUSLICK, K.S.; The Chemical Effects of Ultrasound, Scientific American February 1989.

[4] CADY, W. G.; Piezoelectricity: An Introduction to the Theory and Applications of Electromechanical Phenomena in Crystals, Dover Press, 1964.

[5] GALLEGO, J.; Piezoelectric ceramics and ultrasonic transducers, J. Phys. E: Sci. Instrum., 22 804-816 1989.

[6] Albernaz, Pedro Luiz Mangabeira. Quem Ouve Bem Vive Melhor [S.l.: s.n.] p. 140.

[7] IKEDA, T.; Fundamental of Piezoelectricity, Oxford University Press, 1990.

[8] JAFFE, B.; Piezoelectric Ceramics, Academic Press, 1971.

[9] Piezoelectric ceramics: Properties and Applications, Morgan Electro Ceramics Inc. technical publication.

[10] Inovação Tecnológica, 2010. Borracha que gera energia poderá alimentar marcapassos e celulares. Disponível em: <http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=borracha-gera-energia-podera-alimentar-marcapassos-celulares&id=010115100204#.V-11o_ArLIU>. Acesso em:   21 set. 2016.

[11] JESUS, Fábio de; ALEXANDRE, Jonathas; EVANGELISTA, João; CARRARA, Juliano. Tapete piezoeletrico gerador de energia elétrica. 2014. 42 f. Trabalho de Conclusão de Curso – TCC (Técnico em Eletrotécnica) – ETEC Getúlio Vargas, São Paulo, 2014.

7. O sistema cristalino trigonal ou romboédrico possui três eixos cristalográficos de igual comprimento e horizontais, formando ângulos de 120° entre si, e um eixo vertical perpendicular aos demais, diferente deles no comprimento e com simetria ternária.

8. Temperatura de Curie: É a temperatura no qual o material perde as propriedades magnéticas, perdendo as propriedades  piezoelétricas.

9. Na polarização o corpo cerâmico recebe eletrodos em par de faces paralelas submetendo o material aquecido a um campo elétrico próximo do limite de ruptura dielétrica, induzindo uma polarização macroscópica.

[1] Graduando em Engenharia Elétrica pelo Instituto tecnológico de Caratinga – MG.

[2] Graduando em Engenharia Elétrica pelo Instituto tecnológico de Caratinga – MG.

[3] Graduando em Engenharia Elétrica pelo Instituto tecnológico de Caratinga – MG.

[4] Graduando em Engenharia Elétrica pelo Instituto tecnológico de Caratinga – MG.

[5] Graduando em Engenharia Elétrica pelo Instituto tecnológico de Caratinga – MG.

[6] Graduando em Engenharia Elétrica pelo Instituto tecnológico de Caratinga – MG.