Piezoelettricità nei trasporti

L’articolo di oggi parla di un’idea apparentemente insignificante, ma in realtà rivoluzionaria. L’elettricità è sempre più integrata nella nostra vita quotidiana, e questo vale anche per il trasporto su strada. Poiché il trasporto implica movimento, gli sviluppatori sono costantemente alla ricerca delle soluzioni più efficaci che combinino la meccanica e con l’elettricità.

Una delle implementazioni più efficaci di questa idea è la piezoelettricità, che trova applicazione in molte aree, tra cui nel settore automobilistico.

Storia

La parola “piezo” deriva dal greco antico e significa “pressione”. Comprenderemo il significato esatto di questo termine quando capiremo il principio di funzionamento di questo fenomeno.

La piezoelettricità stessa è più antica delle automobili. Già nel XIX secolo furono condotte ricerche avanzate sulla piezoelettricità. Nel 1880, i fratelli Curie riuscirono a rilevarla utilizzando un cristallo di tormalina. Successivamente, lo stesso fenomeno è stato descritto per molti altri cristalli. Tuttavia, non aveva alcuna applicazione pratica.

Durante la prima guerra mondiale, apparvero i primi brevetti, e negli anni ’20 la piezoelettricità divenne una caratteristica permanente dell’ingegneria elettrica moderna.

L’essenza del fenomeno

In alcuni cristalli, se sono soggetti a determinati effetti meccanici (es. compressione), le cariche positive e negative si separano l’una dall’altra. Ciò avviene perché una tensione elettrica viene generata tra i bordi del cristallo.

Possiamo dire che grazie alla piezoelettricità possiamo convertire direttamente la forza meccanica in tensione elettrica.

Ciò offre molte possibilità, sebbene le proprietà di questo fenomeno non siano completamente esplorate. La piezoelettricità funziona anche al contrario. L’applicazione di una tensione a un cristallo piezoelettrico ne modifica la lunghezza. Poiché sono coinvolte distanze molto piccole e il processo può essere controllato in modo molto preciso, siamo in grado di regolare le dimensioni del cristallo fino alla scala atomica.

L’inverso di questo fenomeno è chiamato elettrostrizione. Quest’ultimo fenomeno fu scoperto da Pierre e Jacques Curie, ma avvenne mentre studiava una sostanza diversa. Divenne presto chiaro che non solo la tormalina poteva ottenere questo effetto, ma anche il cristallo di quarzo (SiO2).

Un’intuizione importante è stata anche che la relazione tra la quantità di carica generata e la forza di trazione o compressione applicata è lineare, quindi l’una può essere controllata in proporzione all’altra.

Come accennato in precedenza, il campo delle applicazioni della piezoelettricità è enorme, e il trasporto su strada ne rappresenta solo una piccola parte. Tuttavia, possiamo fornire molti esempi pratici anche da questo settore.

Uno degli esempi più famosi è il meccanismo di apertura delle valvole degli iniettori dei motori a combustione interna ad iniezione diretta. All’inizio, le elettrovalvole venivano utilizzate nei motori diesel common rail, ma ora gli iniettori piezoelettrici vengono utilizzati da diversi decenni.

In questo caso particolare, per noi è importante l’effetto di elettrostrizione: i singoli elementi delle piastre piezoelettriche mostrate in figura non sono in grado di variare significativamente la loro dimensione, ma nel caso di sovrapposizione di più piastre l’una sull’altra, l’apertura potrebbe essere sufficiente per consentire l’iniezione di carburante.

Ciò è dovuto, tra l’altro, alle caratteristiche del sistema common rail, che consente l’iniezione multistadio, che ottimizza la combustione, la qualità dei gas di scarico e persino i livelli di rumorosità.

La piezoelettricità è altrettanto diffusa nel campo dei dispositivi a ultrasuoni. Poiché il cristallo piezoelettrico segue con precisione il segnale elettrico con il suo movimento, è possibile produrre vibrazioni meccaniche nella gamma degli ultrasuoni mediante un impulso elettrico della frequenza appropriata. Come in tutti i casi, è vero anche il contrario: gli ultrasuoni possono essere rilevati utilizzando materiali con proprietà piezoelettriche.

Quindi non sorprende che la maggior parte delle radio a ultrasuoni, delle telecamere per la retromarcia, dei sensori di parcheggio e dei sensori laterali dell’auto o degli allarmi a ultrasuoni siano anch’essi basati su materiale piezoelettrico.

Attualmente siamo nella fase sperimentale di un caricatore per auto elettrica che sfrutterebbe le vibrazioni causate dalle onde sonore prodotte dal rumore del traffico per generare elettricità.

Altri campi di applicazione

Una serie separata di articoli potrebbe essere scritta su altre aree di applicazione della piezoelettricità.

Lo strumento più semplice qui è un accendino. Certo, i primi esemplari non erano in cristallo piezoelettrico, ma non appena è apparsa la nuova tecnologia, gli accendini sono diventati molto più compatti e facili da usare. Negli accendini, il materiale piezoelettrico è racchiuso tra due piastre metalliche. La compressione delle piastre le fa caricare e di conseguenza si crea una scintilla.

Utilizzando l’elettrostrizione, è possibile produrre segnali di clock con una frequenza molto stabile. Questo viene fatto applicando una tensione variabile al cristallo, facendolo oscillare. Poiché anche un cristallo piezoelettrico ha una propria frequenza, è possibile produrre vibrazioni meccaniche stabili con un segnale elettrico sintonizzato su di esso. Questo fenomeno è utilizzato in molte applicazioni IT e negli orologi al quarzo.

Inoltre, ci sono molte altre implementazioni pratiche (sonar subacquei, sensori di movimento, microscopi a scansione, pinzette laser) di cui non parleremo in dettaglio in questo articolo.

Vantaggi e svantaggi

La piezoelettricità è nata molto tempo fa, anche se l’umanità per secoli non ha saputo per cosa usarla.

La sua versatilità deriva, tra l’altro, dal fatto che richiede una quantità relativamente piccola di materiali, e quindi un piccolo volume, che è associato a precisione, stabilità e affidabilità. Sebbene il processo sia semi-meccanico, non richiede manutenzione, raffreddamento, lubrificazione o qualsiasi altro intervento.

Per quanto riguarda le carenze, vale la pena ricordare che un cambiamento significativo della temperatura influisce sulla precisione del cristallo. Per questo motivo accade che due orologi al quarzo identici con una differenza di temperatura ambiente di 30-40 °C indichino un orario leggermente diverso.

In generale, i sistemi piezoelettrici non sono soggetti a guasti, ma se ciò accade, il cristallo piezoelettrico non può essere riparato e deve essere sostituito.

Fonte:

• https://www.autodesk.com/products/fusion-360/blog/piezoelectricity/
• https://villanyautosok.hu/2019/11/20/nem-vicc-varosi-zajjal-is-lehet-villanyautot-tolteni/
• http://hadmernok.hu/2011_3_repas.pdf
• https://hu.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricoss%C3%A1g