Geração de energia e sensores de materiais piezelétricos

Centro federal de educação Tecnológica celso Suckow da Fonseca MATERIAIS E SISTEMAS INTELIGENTES Alunos: Carolina Romão Azevedo Dhyan M. C. B. S. de Oliveira Vicente Mayrink Paes

rio de janeiro - rj Novembro/2018

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trabalho de GERAÇÃO DE ENERGIA E SENSORES DE MATERIAIS PIEZELÉTRICoS Trabalho da disciplina de Materiais e sistemas inteligentes, ministrada pela professora Luciana Loureiro no CEFET/RJ do Maracanã, como requisito e avaliação da disciplina.

rio de janeiro – rj Novembro/2018

Sumário

1. Introdução5

2. Aplicações7

2.1 PISOS GERADORES DE ENERGIA7

2.2 PNEUS GERADORES DE ENERGIA9

2.3 TÊNIS GERADORES DE ENERGIA9

2.4 SENSORES10

2.5 ATUADORES11

2.6 MOTORES PIEZELÉTRICOS11

2.7 TRANSDUTORES ULTRASSÔNICOS12

3. cONCLUSÃO12

4. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA13

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Efeitos piezelétricos.        2

Figura 2. Piso piezelétrico.        2

Figura 3. Projeto Goodyear BH03.        2

Figura 4. Tênis com discos piezelétricos.        2

Figura 5. Esquema de funcionamento de piezomotores.        2

Figura 6. Ultrassonografia de um feto humano.        2

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1. introdução

É notável que, com a rápida evolução da tecnologia nos dias de hoje, há um enorme consumo de energia em suas diversas formas, que é gerada, em grande parte, por combustíveis fósseis e/ou por fontes não renováveis. Com as atuais formas de geração utilizadas, são causados diversos impactos ambientais negativos e um gasto financeiro elevado com fontes nucleares e fotovoltaicas, por exemplo. Desse modo, é de extrema necessidade a busca por novos meios de obtenção de energia limpa, sustentável e de baixo custo, visando a solução ou redução desses impactos. Em países europeus, como a Alemanha, já há metas ousadas para que toda a geração de energia se dê de forma renovável até 2030, segundo a Agência Internacional de Energia.

Com o objetivo de atender às novas necessidades e metas energéticas, foi criado o conceito de Energy Harvesting, que é a capacidade de captar diferentes tipos de energia presentes no ambiente e transformá-los em outro de maior utilidade para nós, como a energia elétrica. Entre as possíveis fontes energéticas que podem ser encontradas no ambiente estão a eólica, a térmica, a solar e a gerada pelo movimento ou vibração de estruturas físicas e do corpo humano.

Com o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes, tem crescido a utilização dos chamados materiais inteligentes, que, em geral, são usados como sensores e atuadores. Esses materiais são dotados de uma capacidade adaptativa, podendo reagir a estímulos externos como exposição a campos elétricos ou magnéticos e carregamentos térmicos ou mecânicos. Eles reagem sofrendo modificações em sua forma e/ou em suas propriedades físicas. Existem diversos tipos de materiais inteligentes, entre eles, os que se destacam são: as ligas com memória de forma (do inglês, Shape Memory Alloys – SMAs); os polímeros com memória de forma (Shape Memory Polymers – SMPs); as ligas magnéticas com memória de forma (Magnetic Shape Memory Alloys – MSMAs); os fluidos eletro-magneto reológicos;  os materiais magnetoestrictivos; os materiais piezelétricos.

Os materiais piezelétricos foram descobertos em 1880 e tiveram sua primeira aplicação na Primeira Guerra Mundial, em sonares de ultrassom com cristais de quartzo como transdutores. Esses materiais, como os cristais de quartzo, de turmalina, de topázio, geram o que chamamos de piezeletricidade. Esta é a capacidade do material de gerar tensão elétrica quando deformado mecanicamente, denominado efeito piezo direto. É possível que se observe o efeito inverso, no qual se gera uma tensão mecânica a partir da aplicação de um campo elétrico.

[pic 1][pic 2]

Foram desenvolvidos também materiais sintéticos como: os polímeros piezelétricos; os compósitos piezelétricos; as cerâmicas piezelétricas, envolvendo o titanato de bário e o titanato zirconato de chumbo (conhecidos como PZTs), que apresentam melhores propriedades, convertendo até 80% da energia mecânica em elétrica. Os materiais piezelétricos possuem uma temperatura chamada de Temperatura de Curie, nesta, a estrutura cristalina do material muda de fase, deixando de produzir o efeito piezelétrico, devido à perda de polarização, independente da ação de agentes externos ou do uso do material, assim sendo, esta é uma limitação de suas propriedades.

Os tipos de materiais piezelétricos podem ser divididos basicamente entre cristalinos e policristalinos (cerâmicos). As vantagens do primeiro são a alta Temperatura de Curie, a alta estabilidade térmica e o alto fator de qualidade mecânica, porém o seu processo de fabricação é muito caro. As vantagens do segundo são o custo de produção, a grande variabilidade de composições, gerando melhor controle sobre as propriedades físicas, e a possibilidade de serem produzidos em diferentes geometrias. (ADAMOWSKI, 2000)

ADAMOWSKI (2000) diz que a seleção de um material piezelétrico se dá a partir dos conhecimentos de suas propriedades dielétricas, elásticas e piezelétricas, mas que, para aplicações específicas, não é necessário determinar todas, apenas as mais importantes para a aplicação. Ele define como os parâmetros mais importantes a direção do corte (para os cristais) e a polarização macroscópica (para os cerâmicos), o fator de acoplamento mecânico,  as constantes dielétricas, os coeficientes de piezelétrico, a constante de frequência, a impedância acústica, a densidade, a velocidade do som no meio piezelétrico, o fator de qualidade mecânica e o coeficiente de temperatura.