Como obter eletricidade de cristais - Ashwini Bharathula

Veja a lição completa: http://ed.ted.com/lessons/how-to-squeeze-electricity-out-of-crystals-ashwini-bharathula

Pode parecer ficção científica, mas se você pressionar um cristal de açúcar, ele vai gerar eletricidade. Esse cristal simples pode funcionar como uma fonte minúscula de energia porque o açúcar é piezoelétrico. Ashwini Bharathula explica como materiais piezoelétricos transformam estímulos mecânicos, como pressão, ondas sonoras e outras vibrações em eletricidade, e vice-versa.

Lição de Ashwini Bharathula, animação de Karrot Animation.

Este é um cristal de açúcar.

Sob pressão, ele vai gerar eletricidade.

Como pode este simples cristal
ser uma fonte minúscula fonte de energia?

Porque o açúcar é piezoelétrico.

Materiais piezoelétricos
transformam estímulos mecânicos,

como pressão, ondas sonoras
e outras vibrações em eletricidade,

e vice-versa.

Esse estranho fenômeno foi descoberto

pelo físico Pierre Curie
e seu irmão Jacques, em 1880.

Eles descobriram que, se comprimissem
finas fatias de determinados cristais,

cargas positivas e negativas
apareceriam em lados opostos.

Essa diferença de cargas, ou voltagem,

significava que o cristal comprimido
conduzia corrente por um circuito,

como uma bateria.

E funcionava ao contrário também.

Conduzir eletricidade por esses cristais
modificava o formato deles.

Ambos os resultados,

transformar energia mecânica em elétrica
e energia elétrica em mecânica,

foram extraordinários,

mas essa descoberta ficou
décadas sem ser apreciada.

A primeira aplicação prática
foi em instrumentos de sonar

usados para detectar submarinos alemães
durante a Primeira Gerra Mundial.

Cristais de quartzo piezoelétricos
no transmissor do sonar

vibravam quando submetidos
a voltagem alternante.

Isso enviava ondas
de ultrassom através da água.

Medindo quanto tempo essas ondas levavam
pra recochetear no objeto e voltar,

descobria-se a que distância
o objeto estava.

Para a transformação inversa,
converter energia mecânica em elétrica,

imagine lâmpadas que se acendem
ao batermos palmas.

As palmas emitem vibrações pelo ar

e fazem com que
o elemento piezo estremeça.

Isso gera uma voltagem capaz de conduzir
corrente suficiente para acender as LEDs,

embora sejam as fontes convencionais
de energia que as mantêm ligadas.

Mas o que torna um elemento piezoelétrico?

A resposta depende de dois fatores:

a estrutura atômica do material

e a forma como a carga elétrica
se distribui nessa estrutura.

Muitos materiais são cristalinos,

ou seja, feitos de átomos e íons
agrupados em um padrão tridimensional.

Esse padrão tem um elemento fundamental
chamado de célula unitária

que se repete continuamente.

Na maioria dos materiais
cristalinos não piezoelétricos,

os átomos em suas células unitárias
se distribuem simetricamente

em torno de um ponto central,

mas alguns materiais cristalinos
não possuem um centro de simetria,

o que os torna candidatos
à piezoeletricidade.

Vejamos o quartzo,

um material piezoelétrico
composto de silício e oxigênio.

O oxigênio tem carga levemente negativa
e o silício tem carga levemente positiva,

o que gera uma separação de cargas,
ou dipolo, ao longo de cada ligação.

Geralmente, esses dipolos
cancelam-se mutuamente,

assim não há separação líquida
de carga na célula unitária.

Porém, se um cristal de quartzo
for espremido em determinada direção,

os átomos mudam.

Devido à assimetria resultante
na distribuição de cargas,

os dipolos não se cancelam mais.

A célula esticada acaba com uma carga
líquida negativa em um dos lados

e uma carga líquida positiva no outro.

Esse desequilíbrio de cargas
se repete em todo o material

e as cargas opostas se acumulam
nos lados opostos do cristal.

Isso gera uma voltagem capaz de conduzir
eletricidade através de um circuito.

Materiais piezoelétricos
podem ter estruturas diferentes,

mas o que todos têm em comum são células
unitárias sem um centro de simetria.

Quanto mais forte a pressão
sobre o material piezoelétrico,

maior será a voltagem gerada.

Já esticando o cristal, a voltagem mudará,
fazendo a corrente fluir ao contrário.

Há mais materiais piezoelétricos
do que você imagina.

DNA, ossos e seda

possuem a capacidade de transformar
energia mecânica em energia elétrica.

Cientistas criaram uma variedade
de materiais piezoelétricos sintéticos

e descobriram aplicações para eles,

desde em exames diagnósticos de imagem
a impressoras a jato de tinta.

A piezoeletricidade é responsável
pelas oscilações rítmicas

dos cristais de quartzo que fazem
os relógios marcarem a hora certa,

pelos alto-falantes de cartões musicais

e pela centelha que acende
algumas churrasqueiras,

ao clicarmos o acendedor.

Os dispositivos piezoelétricos
talvez se tornem ainda mais comuns,

já que a demanda por eletricidade é alta
e a energia mecânica é abundante.

Já existem estações de trem que usam
a energia dos passos dos passageiros

para fazer funcionar catracas e telões,

e uma boate em que a piezoeletricidade
ajuda a acender as luzes.

Passos de jogadores de basquete poderiam
fornecer energia para acender o placar?

Ou caminhar pela rua poderia ajudar
a carregar aparelhos eletrônicos?

Qual será o futuro da piezoeletricidade?