Como espremer eletricidade dos cristais — Ashwini Bharathula

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

Pode parecer ficção científica, mas, se pressionarmos um cristal de açúcar, ele gera eletricidade. Este simples cristal pode agir como uma minúscula fonte de energia porque o açúcar é piezoelétrico. Ashwini Bharathula explica como os materiais piezoelétricos transformam a tensão mecânica, como a pressão, as ondas sonoras e outras vibrações em eletricidade, e vice-versa.

Lição de Ashwini Bharathula, animação de Karrot Animation.

Isto é um cristal de açúcar.

Se o pressionarmos,
ele vai gerar eletricidade.

Como é que este simples cristal
age como uma minúscula fonte de energia?

É porque o açúcar é piezoelétrico.

Os materiais piezoelétricos
transformam a tensão mecânica,

como a pressão,

as ondas sonoras e outras vibrações

em eletricidade, e vice-versa.

Este estranho fenómeno
foi descoberto, em 1880,

pelos irmãos físicos
Jacques e Pierre Curie.

Descobriram que, se comprimissem
delgadas lâminas de determinados cristais,

geravam-se cargas positivas e negativas
nas faces opostas.

Esta diferença de cargas, ou voltagem,

significava que o cristal comprimido
podia conduzir uma corrente

por um circuito, como uma bateria.

E também funcionava no sentido inverso.

À passagem de eletricidade
esses cristais deformam-se.

Estes dois resultados

— transformar energia mecânica em elétrica

e energia elétrica em mecânica —

eram assinaláveis.

Mas a descoberta ficou ignorada
durante várias décadas.

A primeira aplicação prática
foi nos instrumentos sonar

usados para detetar submarinos alemães
durante a I Guerra Mundial.

Os cristais de quartzo piezoelétricos
no transmissor do sonar

vibravam quando eram submetidos
a uma voltagem alternada.

Isso enviava ondas de ultrassons
através da água.

Medindo o tempo que essas ondas
demoravam a regressar de um objeto

revelava a distância a que ele estava.

Quanto à transformação inversa

— transformar a energia mecânica
em energia elétrica —

pensem nas luzes que se acendem
quando batemos palmas.

Quando batemos palmas, enviamos
vibrações sonoras pelo ar,

e provocamos que o elemento piezo
oscile de um lado para o outro.

Isso cria uma voltagem que pode gerar
corrente suficiente para acender as LED,

embora sejam as fontes convencionais
de eletricidade que as mantêm acesas.

Então, quando é que um material
é piezoelétrico?

A resposta depende de dois fatores,

a estrutura atómica dos materiais

e a forma como a carga elétrica
está distribuída dentro deles.

Há muitos materiais cristalinos,

ou seja, são feitos de átomos ou de iões

ordenados num padrão
tridimensional regular.

Esse padrão tem um bloco constituinte
que se chama célula unitária

que se repete por toda a estrutura.

Na maior parte dos materiais
cristalinos não piezoelétricos

os átomos das células unitárias
estão distribuídas simetricamente

em volta de um ponto central.

Mas há materiais cristalinos
que não possuem um centro de simetria,

o que os torna candidatos
à piezoeletricidade.

Vejamos o quartzo,

um material piezoelétrico
composto por silicone e oxigénio.

O oxigénio tem uma carga
ligeiramente negativa

e a silicone uma carga levemente positiva,

o que cria uma separação de cargas

ou um dípolo em cada ligação.

Normalmente, estes dípolos
neutralizam-se um ao outro,

por isso, não há separação de cargas
na célula unitária.

Mas, se espremermos um cristal de quartzo
numa determinada direção,

os átomos deslocam-se.

Dada a resultante assimetria
na distribuição das cargas,

os dípolos deixam de se neutralizar
uns aos outros.

A célula comprimida acaba
por ter uma carga negativa num dos lados

e uma carga positiva no outro.

Este desequilíbrio de cargas
repete-se por todo o material

e as cargas opostas juntam-se
nas faces opostas do cristal.

Isso resulta numa voltagem que pode
enviar eletricidade num circuito.

Os materiais piezoelétricos
podem ter diferentes estruturas.

Mas têm em comum as células unitárias
a que falta um centro de simetria.

Quanto maior for a compressão
sobre os materiais piezoelétricos,

maior é a voltagem gerada.

Se, em vez disso, se alongar o cristal,
a voltagem inverte-se

fazendo com que a corrente
inverta o seu caminho.

Há mais materiais piezoelétricos
do que julgamos.

O ADN, os ossos

e a seda

todos têm a capacidade
de transformar a energia mecânica

em energia elétrica.

Os cientistas criaram uma série
de materiais piezoelétricos sintéticos

e encontraram aplicações para eles,
em tudo, desde a imagiologia médica

às impressoras de tinta a jato.

A piezoeletricidade é responsável
pelas oscilações rítmicas

dos cristais de quartzo que mantêm
os relógios a marcar o tempo certo,

que ativam os cartões musicais
de aniversário

e a faísca que acende o gás
nalguns isqueiros de grelhadores

quando carregamos no interruptor.

Os aparelhos piezoelétricos
podem vir a ser ainda mais vulgares

visto que há falta de eletricidade
e a energia mecânica é abundante.

Já há estações de comboios
que usam os passos dos passageiros

para alimentar as portas de acesso
e aos painéis de informações

e uma discoteca em que a piezoeletricidade
contribui para acender as luzes.

Poderão os basquetebolistas, ao correr,
iluminar o quadro dos resultados?

Ou, ao caminhar, poderemos carregar
os aparelhos eletrónicos?

O que se seguirá para a piezoeletricidade?