Come produrre elettricità con i piezocristalli

Alcuni cristalli – come ad esempio il quarzo – possono essere sfruttati per produrre elettricità grazie all’effetto piezoelettrico, utilizzato anche negli accendini e negli accendigas da cucina. Fissando il cristallo e sottoponendolo a una forza diretta impulsiva, viene rilasciata una quantità rilevabile di elettricità. L’unità non richiede alcuna pila per funzionare. Il picchiettare continuo sul cristallo produrrà una corrente elettrica utilizzabile. Studieremo poi, con un oscilloscopio, la forma d’onda che si produce. Creare un generatore elettrico a cristallo porterà via allo scienziato dilettante circa una mezz’ora.

I principali cristalli piezoelettrici sono quarzo, tormalina e sale di Rochelle. Essi sono affascinanti: quando si applica loro uno stress fisico, questi materiali producono una tensione elettrica, e il fenomeno è noto come “effetto piezolettrico”. L’effetto può anche essere invertito: applicare loro una tensione elettrica produce uno stress / vibrazione: cioò è noto come effetto piezolettrico inverso. Per la conversione dell’energia meccanica in energia elettrica, i cristalli piezoelettrici offrono il massimo vantaggio.

Un cristallo piezolettrico ha, in generale, tre assi: ci sono, infatti, l’asse ottico, l’asse elettrico e l’asse meccanico. I cristalli piezolettrici vengono utilizzati per creare pickup per chitarra, microfoni, etc. Si possono anche usare per raccogliere energia dalle attività quotidiane, che altrimenti andrebbe persa. Ad esempio, una persona esercita molta forza quando scende le scale: la si può trasformare in energia elettrica utilizzando un generatore piezoelettrico.

Il pickup piezolettrico, o microfono a contatto, è un’applicazione dell’effetto piezoelettrico. Potete trovare dei comuni trasduttori piezolettrici qui.

Elettricità da un cristallo di quarzo naturale

Produrre elettricità con un cristallo di quarzo è molto semplice. Innanzitutto, taglia un filo elettrico con isolante in due parti, usando delle forbici. Con una pinza spelafili, togli l’isolante da tutte e quattro le estremità dei due fili, esponendo circa un centimetro di filo di rame su ciascuna estremità. Attorciglia le estremità dei fili in bobine strette se utilizzi un filo a più filamenti.

Salda ciascun filo al retro di un elettrodo separato. L’elettrodo deve avere un supporto adesivo che gli consenta di attaccarlo agli oggetti. Se non si vuole usare degli elettrodi, basta far cadere una grande goccia di stagno fuso – grande circa la metà della dimensione di un centesimo – sull’estremità di ciascun filo, e magari cercare di schiacciarla subito dopo con un utensile per appiattirla.

A questo punto, attacca uno dei due elettrodi al cristallo di quarzo premendo il retro adesivo su una sezione piatta. Se lavori senza elettrodi, premi la goccia di stagno contro il cristallo e fissala con un paio di gocce di colla. Se non vuoi utilizzare né colla né elettrodi, spella il filo di rame fino ad una lunghezza esposta che è abbastanza lunga da riuscire ad avvolgere strettamente il cristallo.

Ciò che serve per questa esperienza è un cristallo di quarzo, un multimetro e poco altro.

Attacca l’altro elettrodo al magnete permanente, usando gli stessi metodi usati per attaccarlo al cristallo. Infine, attacca le due estremità rimanenti del filo ai puntali del voltmetro o di un comune multimetro digitale, magari con l’ausilio delle classiche pinzette a coccodrillo. Seleziona la portata per misure di circa 1 V in corrente continua. In tutti e due i casi, la polarità non è importante.

Indossa degli occhiali protettivi per precauzione e colpisci il cristallo con il magnete, ma non abbastanza forte da causare danni. Il voltmetro mostrerà un picco quando il cristallo di quarzo è colpito con il magnete. Colpendo i due ripetutamente, è possibile generare e accumulare una piccola corrente. Usa dei cristalli e dei magneti più grandi per ottenere una corrente più grande.

Naturalmente, affinché si produca una corrente elettrica, occorre che il magnete sia un ottimo conduttore (non tutti i magneti sono conduttori), cosa che si può facilmente verificare preliminarmente. In realtà, la funzione del magnete è solo quella di aggiungere massa e maggiore impulso all’urto, per cui volendo se ne può fare a meno (il campo magnetico non gioca alcun ruolo), sostituendolo con una massa analoga conduttrice.

Come testare facilmente se un magnete è un buon conduttore elettrico.

Dato che ci sono molti movimenti meccanici disponibili su una strada – umani e automobilistici – installando cristalli piezoelettrici sotto le strade sarebbe possibile generare elettricità in modo costante. In questa implementazione, la strada andrebbe divisa in quattro strati. Lo strato più basso è composto da piastre vibranti e lo strato di mezzo conterrebbe i cristalli piezoelettrici.

Lo strato superiore è composto anch’esso da piastre vibranti e lo strato più in alto è la strada vera e propria. Questa è però una strada per la produzione di elettricità. Se l’uomo od i veicoli viaggiano lungo la strada, producono una pressione sulle piastre vibranti. Queste ultime possono fornire la pressione ai cristalli, i quali producono l’elettricità grazie alle loro proprietà piezoelettriche.

La corrente, la tensione e il wattaggio massimi ricavabili da un cristallo piezolettrico sono tutti i parametri che dipendono dal tipo di materiale piezoelettrico usato e dalle dimensioni del materiale. Se prendiamo ad es. il PZT (Piombo titanato di zirconio) – il materiale ceramico piezolettrico più usato al mondo – la corrente massima può variare da nanoampere a microampere e la tensione generata da 1 a 100 V, a seconda delle dimensioni del cristallo, e questa carica può essere immagazzinata in una batteria.

In un condensatore, il campo elettrico, e quindi il potenziale elettrico, è prodotto applicando una tensione, mentre in un materiale piezoelettrico è prodotto applicando una forza.

Per piccoli cristalli (come ad es. quelli presenti negli orologi) la potenza erogabile è molto bassa. Ma puoi ottenere anche centinaia di volt se ne colpisci uno con un martello e l’energia prodotta dipende anche dalla frequenza di vibrazione a cui il cristallo è sottoposto. E dato che si può immagazzinare questa energia nelle batterie, il discorso diventa spesso interessante: ad esempio, dei cristalli piezolettrici posti opportunamente dentro una scarpa sono in grado di ricaricare la batteria del cellulare.

La forma d’onda della tensione prodotta

Per studiare meglio la produzione elettrica di un cristallo, conviene selezionare il più grande cristallo singolo (ad es. artificiale) che si ha a disposizione e incastrarlo leggermente tra due superfici di contatto elettriche, realizzate con strati di carta da cucina dietro un foglio di alluminio, che è a contatto con il cristallo. Questo “cuscino” permette di premere su entrambi i lati del cristallo ottenendo un buon contatto elettrico ma senza esercitare troppa pressione sul cristallo, con il rischio di danneggiarlo.

Per fare un test, posiziona l’estremità piatta di un pennarello sulla superficie del cristallo e picchietta leggermente sull’altra estremità del pennarello con un paio di pinze. Il risultato sarà un alternarsi di picchi di tensione, ben visibili sullo schermo di un oscilloscopio (ad es. 9,6 V picco-picco nella figura qui sotto). Vi dovrebbe essere un picco verso l’alto dovuto al tocco iniziale, ed un  picco verso il basso dovuto al rilassamento dopo il tocco. Il tempo totale per entrambi i picchi dovrebbe essere dell’ordine di millisecondi (ad es. 4,2 ms in figura).

A sinistra: Il tipico picco di tensione verso l’alto colpendo un cristallo di sale di Rochelle in modo che gli elettroni si muovano verso l’elettrodo di terra dell’oscilloscopio. A destra: Il picco verso il basso se si invertono i puntali dell’oscilloscopio. (adattato da: Steven D.)

È interessante vedere se i picchi invertono la polarità qualora si inverta la polarità degli elettrodi dell’oscilloscopio. Ebbene, in questo caso anche i picchi si invertono: quello più pronunciato andrà verso il basso e quello più piccolo verso l’alto, o viceversa. In entrambi i tipi di collegamento (con polarità normale o invertita), gli elettroni nel cristallo si muovono allo stesso modo durante il tocco. La differenza nella portata dell’uscita è dovuta al modo in cui la sonda è collegata al cristallo.

Nel caso di picco positivo, gli elettroni si muovono verso la punta della sonda con messa a terra e si allontanano dalla punta della sonda non messa a terra, lasciandola quindi positiva rispetto alla terra. Nel caso di picco negativo, invece, si allontanano dalla punta della sonda collegata a terra e vanno verso la punta della sonda non messa a terra, lasciandola negativa rispetto a terra. Se il tocco è particolarmente forte, la tensione prodotta può essere particolarmente alta (ad es. 25 V).

L’effetto piezolettrico. Le cariche positive e negative si annullano finché una forza esterna non rompe l’equilibrio, applicando uno stress al cristallo e creando così una densità di carica superficiale che può venire raccolta tramite degli elettrodi.

Il picco che si vede sull’uscita dell’oscilloscopio rappresenta ciò che accade alla punta della sonda non messa a terra. Ciò che accade alla punta della sonda con messa a terra non è “niente”, perché essa è collegata alla terra. Nell’uscita dell’oscilloscopio, la punta della sonda con messa a terra è rappresentata dalla linea orizzontale e non si sposta mai verticalmente da quella posizione.

Se nessuna delle punte della sonda fosse messa a terra, l’uscita dell’oscilloscopio sarebbe composta da due linee che iniziano a toccarsi ma poi si spostano brevemente in ugual misura l’una dall’altra, una in direzione positiva e l’altra in direzione negativa. La maggior parte degli oscilloscopi da banco ha una punta collegata a terra. Il cristallo ha una parte specifica che è sempre positiva e l’altra che è negativa quando viene colpito da un tocco e questo che abbiamo illustrato è ciò che vedresti.

Alla ricerca di materiali piezolettrici

La piezoelettricità è la carica elettrica che si accumula in alcuni materiali solidi (come cristalli, certe ceramiche e materiale biologico come ossa, DNA e varie proteine) in risposta a sollecitazioni meccaniche applicate. Essa fu scoperta nel 1880 dai fisici francesi Jacques e Pierre Curie. I materiali che mostrano l’effetto piezoelettrico diretto mostrano anche l’effetto piezoelettrico inverso.

L’effetto piezoelettrico inverso, spesso usato per produrre ultrasuoni (ad es. nel sonar).

Nella maggior parte dei cristalli (come i metalli), la cella unitaria – ovvero l’unità di ripetizione di base – è simmetrica; nei cristalli piezoelettrici, invece, non lo è. Normalmente, i cristalli piezoelettrici sono elettricamente neutri: in altre parole, gli atomi al loro interno potrebbero non essere disposti simmetricamente, ma le loro cariche elettriche sono perfettamente bilanciate. In pratica, una carica positiva in un posto annulla una carica negativa nelle vicinanze.

Tuttavia, se si schiaccia oppure si allunga un cristallo piezoelettrico, si deforma la struttura, spingendo alcuni degli atomi più vicini o più distanti, sconvolgendo il saldo di positivo e negativo e facendo apparire delle cariche elettriche nette. Questo effetto attraversa l’intera struttura di modo che le cariche positive e negative nette appaiono sulle facce opposte del cristallo.

Alcuni cristalli piezoelettrici presentano una polarizzazione spontanea: anche in assenza di stress meccanico o di un campo elettrico, i centri di carica positiva e negativa non coincidono, dando vita a un dipolo elettrico incorporato in ciascuna cella unitaria. I cristalli con polarizzazione spontanea si dicono piroelettrici. L’effetto piroelettrico, cioè la generazione di carica dovuta a un cambiamento di temperatura, non è altro che una manifestazione della dipendenza dalla temperatura della polarizzazione.

Sono piroelettrici: tormalina, sale di Rochelle, PZT. Il quarzo, invece, non è piroelettrico. La direzione di polarizzazione di alcuni materiali piroelettrici può essere modificata applicando un campo elettrico sufficientemente grande. Se questo è il caso, si dice che il materiale è ferroelettrico. Esempi: il sale di Rochelle e il PZT sono ferroelettrici, mentre il quarzo e la tormalina non lo sono. Tutti i materiali ferroelettrici sono piezoelettrici, ma non tutti quelli piezoelettrici sono ferroelettrici.

Polarizzazione, tramite un campo elettrico, di un materiale ferroelettrico (ad es. il PZT).

I cristalli piezolettrici presenti in natura sono numerosi: quarzo, berlinite, zucchero di canna, sale di Rochelle, topazio, minerali del gruppo della tormalina, macedonite (che è la forma naturale del PZT). Vi sono anche cristalli sintetici. I materiali sintetici ceramici con grani orientati a caso devono essere ferroelettrici per mostrare piezolettricità, e comprendono il PZT. I materiali biologici che esibiscono proprietà piezoelettriche includono: tendini, seta, legno, smalto, dentina, DNA.

La piezoelettricità diretta – cioè la polarizzazione della carica prodotta da uno stress applicato – si verifica dunque in molti minerali ed è assai forte nel quarzo. Gli aggregati di grani piezoelettrici sono essi stessi piezoelettrici, se i grani sono adeguatamente allineati. Si può dire che tali aggregati abbiano un tessuto piezoelettrico. Così, le rocce ricche di quarzo possono possedere un tessuto piezoelettrico.

Per verificare se in una roccia ricca di quarzo vi è un tessuto piezoelettrico, si può provare a rilevare l’effetto piezolettrico con il metodo illustrato in questo articolo, oppure attaccando al materiale due elettrodi come quelli usati per il monitoraggio cardiaco, collegati a un voltmetro. Posiziona il pezzo materiale sotto un cartone o una coperta per proteggerlo. Colpisci il quarzo con un martello, non così forte da rompersi ma abbastanza forte da avere un impatto su di esso.

Due rocce metamorfiche che sono ricche di quarzo.

Se il materiale è piezoelettrico, il voltmetro o il multimetro dovrebbe mostrare un rapido picco di tensione a causa dello stress meccanico sul materiale. Potete testare, in questo modo, rocce con e senza orientamento preferito. Di questi ultimi tipi, quelli contenenti poco o nessun quarzo libero (ad es. marmo, basalto) non dovrebbero mostrare effetti piezoelettrici misurabili.

Al contrario, tutte le rocce ricche di quarzo (quarziti, graniti, gneiss, micloniti) dovrebbero mostrare effetti piezoelettrici quando vengono stressate. Questi effetti rientrano in due categorie: (1) effetti dovuti a tessuti piezoelettrici, chiamati veri effetti piezoelettrici; (2) effetti dovuti a distribuzioni casuali dei vettori piezoelettrici, detti effetti statistici. Come distinguere tra questi due effetti?

Vi sono vari criteri, per lo più complessi da verificare. Ad esempio, laddove possibile, si possono tagliare più campioni da un campione di roccia, con lo stesso orientamento. Gli esemplari di una roccia con un tessuto piezoelettrico dovrebbero mostrare risultati simili nei vari campioni. Molte rocce daranno invece risultati coerenti con gli effetti statistici di una distribuzione non polare o casuale.

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