Piezoelettricità.

Fis. - Effetto manifestato da alcuni cristalli, detti genericamente cristalli piezoelettrici, consistente nello sviluppo di una differenza di potenziale elettrico fra due facce del cristallo, in conseguenza di una deformazione meccanica di natura elastica (effetto piezoelettrico diretto). Il fenomeno è reversibile, cioè il cristallo, sottoposto all'azione di un campo elettrico, si deforma elasticamente (effetto piezoelettrico inverso). Il segno della polarizzazione cambia a seconda che la deformazione sia dovuta a trazione o a compressione; la risposta, pressoché istantanea, dei cristalli all'azione meccanica li rende particolarmente adatti come trasduttori elettromeccanici ed elettroacustici di alta fedeltà. Sono piezoelettrici i cristalli di quarzo, tormalina, clorato di sodio e, in generale, i cristalli caratterizzati dall'assenza di un centro di simmetria: tutti i corpi che cristallizzano in una delle 21 classi cristallografiche prive di centro di simmetria presentano, in effetti, una p. più o meno marcata, con una sola eccezione. Nella cella cristallina di un dielettrico, infatti, sono presenti numerosi dipoli elettrici, il cui effetto totale si annulla, se la cella non è sottoposta all'azione di sforzi esterni; in assenza di un centro di simmetria, deformazioni esterne impediscono l'annullamento dei dipoli, e tanto è minore la simmetria, tanto è maggiore la possibilità che si manifesti una polarizzazione. Nell'effetto piezoelettrico diretto, la relazione che intercorre tra sforzi e polarizzazione è lineare, P = DF, dove P è il vettore di polarizzazione e F il vettore degli sforzi; i coefficienti della matrice D (di dimensioni 3 x 6) prendono il nome di coefficienti piezoelettrici. Il cristallo piezoelettrico per eccellenza è il quarzo, sia per la buona reperibilità di cristalli di notevoli dimensioni, sia per la costanza e linearità con cui si manifesta l'effetto piezoelettrico. Il quarzo presenta un asse di simmetria ternaria, detto asse ottico, e tre assi di simmetria binaria, detti assi elettrici; i tre assi ortogonali a quelli elettrici, giacenti nello stesso piano, vengono detti assi meccanici. Tagliata una lamina di cristallo perpendicolarmente all'asse ottico, si osserva che una compressione o trazione, applicata nella direzione di un asse elettrico o meccanico, provoca una polarizzazione lungo le direzioni ad essi ortogonali, mentre non si verifica alcun effetto se lo sforzo è applicato lungo l'asse ottico; viceversa, una differenza di potenziale applicata lungo un asse elettrico o meccanico, cioè, alle facce ad essi ortogonali, genera una deformazione in tali direzioni, mentre nessun effetto meccanico si osserva se la differenza di potenziale è applicata lungo l'asse ottico. Sulla base di tali proprietà, il quarzo, tagliato secondo direzioni particolari in barrette o in lastrine di dimensioni anche piccolissime, viene sottoposto all'azione di una forza meccanica in una opportuna direzione: le cariche presenti sulle facce del cristallo perpendicolari alla direzione dello sforzo, generate da tale deformazione, vengono raccolte su due armature metalliche poste a contatto con le facce. Indicando con Q il valore assoluto della carica, con S l'area di ciascuna delle facce e con F il valore della forza applicata, si verifica fra queste grandezze la relazione: Q = KF, oppure, riferendoci alla densità di carica σ, la relazione equivalente σ = Kp, dove il coefficiente di proporzionalità K viene detto coefficiente piezoelettrico relativo all'asse secondo cui avviene la deformazione, e p è la pressione, ovvero lo sforzo per unità di superficie. Reciprocamente, se stabiliamo un campo elettrico tra le armature aderenti alle due facce precedenti, la lastrina si contrae o si dilata a seconda del verso del campo; se la tensione applicata è oscillante, la lastrina subisce compressioni e dilatazioni periodiche, aventi lo stesso periodo del campo elettrico, e il quarzo prende a vibrare in regime di oscillazioni forzate. Se il periodo di vibrazione meccanica della lamina, dipendente dalle sue caratteristiche elastiche e dalle sue dimensioni, coincide con quello del campo applicato, si verifica un fenomeno di risonanza, con conseguente esaltazione dell'ampiezza delle vibrazioni; così operando, è possibile raggiungere frequenze superiori ai limiti di udibilità, realizzando degli "ultrasuoni". La frequenza alla quale ciò avviene, detta, appunto, frequenza di risonanza della lamina, presenta una stabilità molto superiore della analoga frequenza associata ai circuiti elettrici oscillanti, poiché, come già osservato, dipende solo dalle dimensioni del cristallo; inoltre, in una stessa lamina si possono distinguere due diverse frequenze di risonanza, a seconda che si considerino vibrazioni longitudinali (lungo l'asse elettrico) o trasversali (lungo l'asse meccanico), delle quali la prima è generalmente maggiore. Tale equivalenza con i circuiti elettrici oscillanti viene sfruttata nei filtri e negli oscillatori piezoelettrici; poiché gli effetti piezoelettrici variano a seconda che l'azione meccanica o elettrica sia applicata lungo un asse elettrico o meccanico, tagli diversi di uno stesso cristallo presentano caratteristiche diverse; i cristalli tagliati in direzione perpendicolare ad un asse meccanico presentano oscillazioni molto stabili, ma modi di vibrazioni secondarie indesiderati, mentre quelli tagliati ortogonalmente a un asse elettrico presentano un innesco più facile, ma regime di oscillazione meno stabile. I cristalli piezoelettrici vengono utilizzati per la generazione e la ricezione di ultrasuoni, nei microfoni, nei misuratori di frequenza, ecc.