PIEZOELETTRICITÀ
PIEZOELETTRICITÀ
. Taluni cristalli, elettricamente isolanti, deformati elasticamente da una conveniente azione meccanica (compressione uniforme, compressione o trazione lungo un asse, momento torcente, momento flettente, ecc.) si elettrizzano; alla superficie del cristallo si manifestano distribuzioni eteronome di elettricità, la cui somma algebrica è nulla. Il fenomeno, scoperto dai fratelli J. e P. Curie (1880), si dice piezoelettricità (W. G. Hankel, 1881).
Si ha anche il fenomeno inverso, previsto da G. Lippmann (1881) e subito dopo osservato dai Curie: i cristalli piezoelettrici, sottoposti a un conveniente campo elettrico, si deformano.
I fenomeni di piezoelettricità si spiegano ammettendo che la deformazione elastica generi in questi cristalli un'intensità di polarizzazione dielettrica (analogo elettrico dell'"intensità di magnetizzazione"; v. magnetismo), o modifichi un'eventuale intensità di polarizzazione dielettrica preesistente. Le cariche elettriche, che si manifestano ai poli del cristallo piezoelettrico, sono cariche liberc di polarizzazione, analoghe alle masse magnetiche libere dei poli di un magnete.
Se si esclude il sale di Seignette (tartrato sodico-potassico, KNaC4H4O6•4H2O), l'intensità della polarizzazione dielettrica (e quindi la densità σ delle distribuzioni elettriche che si manifestano sul cristallo) è sensibilmente proporzionale alla deformazione elastica, e quindi all'azione meccanica, in quanto questa è proporzionale alla deformazione. Inoltre, al variare dell'azione meccanica col tempo, la densità σ varia con un ritardo inferiore a 10-8 sec. Ugualmente immediate sono le deformazioni che un cristallo piezoelettrico subisce quando si trovi in un campo elettrico variabile col tempo.
Gli sforzi applicati sono misurabili più facilmente che le deformazioni; sembra però più opportuno porre in relazione l'effetto piezoelettrico con le deformazioni, perché molti fisici ritengono che a parità di deformazione l'effetto piezoelettrico sia lo stesso, qualunque sia la causa della deformazione; secondo questi fisici una contrazione dovuta a una conveniente compressione produce lo stesso effetto di una pari contrazione dovuta al raffreddamento del cristallo. La piroelettricità sarebbe allora da ricondurre a una pura piezoelettricità.
Tra i più noti cristalli piezoelettrici ricordiamo quelli di quarzo, di tormalina, di zucchero, di acido tartarico, di clorato di sodio, di blenda, ecc.
Nel sale di Seignette la piezoelettricità è fortissima (quasi cinquecento volte quella del quarzo); ma l'intensità di polarizzazione dielettrica è funzione molto complessa degli sforzi (e quindi delle deformazioni); si hanno fenomeni di saturazione e cicli d'isteresi (W. G. Cady, 1918) analoghi a quelli dei corpi ferromagnetici (v. ferromagnetismo).
La piezoelettricità è un fenomeno più generale della piroelettricità e va considerata come il più complesso dei fenomeni di cristallo-fisica. La sua esistenza in un cristallo è subordinata alla mancanza di taluni elementi di simmetria; qui diciamo soltanto che possono essere piezoelettrici i cristalli di 20 tra le 21 classi cristalline sfornite di centro di simmetria; è esclusa la classe enantiomorfa emiedrica del sistema regolare (classe della cuprite).
Ecco due tra i piu̇ notevoli casi di piezoelettricità:
a) Quarzo. - Una lamina mm, nn (fig. 1), a facce normali all'asse z di simmetria ternaria, presenta il contorno esagonale di fig. 2; ma tre soli vertici, h1, h2, h3, sono tracce di spigoli del prisma esagono, smussati dalle facce plagioedre h (fig. 1). Si hanno tre assi, ξ1, ξ2, ξ3, di simmetria binaria, polari cioè ad estremi non equivalenti. Dalla lamina si ricavi il blocchetto AABB (quarzo piezoelettrico, o piezoquarzo).
Una compressione nel senso dell'asse ξ1, genera una polarizzazione dielettrica del blocchetto parallela a ξ1, che si rivela mediante l'apparizione su AA, BB, di due cariche elettriche eguali e opposte, aventi i segni indicati in fig. 2.
Misure quantitative si compiono col dispositivo elettrometrico di fig. 3; il quarzo compresso AABB carica per induzione il condensatore M1 M2 e l'elettrometro E misura la differenza di potenziale così generata tra M1 ed M2. Nota questa differenza di potenziale e la capacità del sistema EM1 M2, si può ricavare la grandezza delle cariche liberate dall'effetto piezoelettrico.
Una compressione di 10 kg. per cmq. genera due distribuzioni di elettricità di densità σ = ± 2,5 unità C. G. S. (elettrostatiche), già rivelabili anche con la polvere elettroscopica minio-zolfo.
Una trazione dà effetto piezoelettrico eguale a quello prodotto da una compressione egualmente intensa, ma il segno delle cariche liberate sulle facce AA, BB risulta invertito.
Una trazione lungo un asse η1 (fig. 2) genera lo stesso effetto piezoelettrico di una compressione di pari intensità lungo l'asse ξ1.
Una compressione o trazione lungo l'asse z (fig. 1) non dà effetto piezoelettrico.
Una compressione uniforme del blocchetto genera contemporanee polarizzazioni dielettriche secondo i tre assi piezoelettrici ξ1, ξ2, ξ3, la cui risultante è nulla.
Il quarzo non è piezoelettrico per compressione uniforme.
b) Tormalina. - Una lamina rrr, sss (fig. 4), a facce normali all'asse polare z, di simmetria ternaria, presenta il contorno di fig. 5.
Una compressione lungo l'asse z genera una polarizzazione dielettrica lungo tale asse; la faccia rrr (fig. 4), che è dalla parte del polo antilogo (v. piroelettricità) risulta carica positivamente; la faccia sss risulta carica negativamente.
Dalla lamina si ricavi il blocchetto AABB (fig. 5). Una compressione lungo l'asse ζ1, o una trazione lungo l'asse ϑ1 generano una elettrizzazione sia sulle facce AA, BB, sia sulle facce normali all'asse z (quindi parallele al piano di fig. 5). Una compressione uniforme su tutte le facce della lamina genera una risultante delle polarizzazioni piezoelettriche non nulla e parallela all'asse z.
La tormalina è piezoelettrica per compressione uniforme.
Grazie all'istantaneità del fenomeno, la piezoelettricità ha permesso la risoluzione di due importanti problemi.
1. Misura di pressioni o, più generalnente, di azioni meccaniche, rapidamente variabili col tempo. - Si applica l'azione meccanica a un cristallo piezoelettrico (v., p. esempio, fig. 3); ne risulta tra X1 e X2 una differenza di potenziale variabile col tempo come l'azione meccanica che l'ha generata; questa differenza di potenziale, direttamente o convenientemente amplificata da amplificatori termoelettronici, agisce su di un oscillografo. Si studiano così le modalità con cui varia la pressione nel cilindro di un motore a scoppio, nella camera di scoppio di una bocca da fuoco; può venire segnalata e registrata un'onda ultrasonora in arrivo su BB (fig. 3), anche se di frequenza elevatissima (fin oltre 105 hertz).
2. Oscillatore piezoelettrico. - Un quarzo AABB (fig. 3) costituisce una corta sbarra elastica, di cui il lato AB è la lunghezza. Questa sbarra può vibrare nel senso longitudinale AB; i piani AA, BB, sono piani centrali di vibrazione; nel caso dell'oscillazione fondamentale, la distanza AB è ½ λ, e il piano intermedio tra AA e BB è un piano nodale. La corrispondente frequenza di vibrazione fondamentale per AB = 1 mm. è circa ν = 2,8 • 106 hertz. Questa oscillazione produce tra X1 e X2 una differenza di potenziale di frequenza ν, che, mediante amplificatori termoelettronici, può fornire energia elettrica alternata ancora di frequenza ν, e la cui potenza può anche superare varî chilowatt. Anzi, sfruttando contemporaneamente il fenomeno piezoelettrico inverso (di Lippmann), si può mantenere in eccitazione il quarzo piezoelettrico mediante l'azione su di esso della stessa differenza di potenziale alternata generata dal quarzo e convenientemente amplificata e sfasata.
Si realizza così un oscillatore a quarzo piezoelettrico, autoeccitatore (W. G. Cady, G. W. Pierce; 1921-1923), che può pensarsi l'analogo di un diapason elettromagnetico e costituisce un campione di frequenza estremamente preciso (entro circa 1 su 107, se la temperatura è ben costante). Siffatti oscillatori sono specialmente utili nella tecnica delle alte frequenze, ed essi sono stati recentemente applicati a veri orologi di elevatissima precisione.
Oltre che la misura delle pressioni e i campioni di frequenza già accennati, sulla piezoelettricità si fondano gli stabilizzatori di frequenza di emissione delle stazioni radio, i più moderni apparecchi di sondaggio acustico del mare (P. Langevin, 1917-1924), varî moderni apparecchi di ricezione e trasmissione di segnali mediante onde ultrasonore impiegati dai sottomarini in immersione.
Bibl.: H. Falkenhagen, Pyro- und Piezo-Elektrizität, in Handb. der Phys. di Geiger e Scheel, XIII, Berlino 1928; H. Bouasse, Phénomènes liés à la symmétrie, Parigi 1931; P. Vigoureux, Quartz Resonators and Oscillators, Londra 1931.