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Conhecendo a Piezoeletricidade
Uma Nova Forma de Geração de Energia Elétrica
ARMENDANI, Willian Alves
VIEIRA, Renato Florentino
SOUZA, Reinaldo Vieira de
BARROS, Karem
VICTOR, Allan
FÁBIO, Alex Sander
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.
1. 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
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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.
HISTÒRIA
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[Zrx Ti1-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].
2. 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.
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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 (Pb1xLax)TiO3) que possui cristais com estrutura cristalina do tipo Perovskita que possui simetria
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tetragonal romboédrica1 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 Curie2), 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:
1.a
1.b
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
polarização3. 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:
1

Sulfureto de zinco (ZnS).

Clorato de sódio (NaClO3).

Cloroborato de magnésio (Mg3B7O13Cl).
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.
2
Temperatura de Curie: É a temperatura no qual o material perde as propriedades magnéticas, perdendo as
propriedades piezoelétricas.
3
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.
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
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.
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3. 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 descobriuse 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.
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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-energiaeletrica-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-energiapodera-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.