Articolul nostru de mai jos este despre o idee aparent abstractă, dar totuși revoluționară. Electricitatea este din ce în ce mai împletită în viața noastră de zi cu zi - și acest lucru este valabil și pentru transportul nostru rutier. Deoarece mișcarea este inevitabilă în timpul transportului, dezvoltatorii caută în permanență cele mai elegante soluții pentru a combina mecanica și electricitatea.
Una dintre cele mai frumoase și eficiente implementări practice este aplicarea piezoelectricității care răspândește mai multe domenii, cum ar fi industria auto.

Prezentare
Cuvântul „piezo” are origine greacă, semnificația lui înseamnă presiune. Terminologia devine curând semnificativă atunci când discutăm despre mecanismul de acțiune.
Descoperirea acestui fenomen datează mult mai devreme decât atunci când a fost folosit pentru prima dată la mașini. În secolul al XIX-lea, existau deja cercetări avansate privind detectarea piezoelectricității și în 1880 frații Curie au reușit să o detecteze. Mai târziu, același lucru a fost detectat pe mai multe cristale. Pe atunci, nu părea că acest principiu de funcționare ar fi util în practică.
În timpul Primului Război Mondial, au apărut primele brevete și, în anii 20, piezoelectricitatea a devenit o parte inevitabilă a ingineriei electrice moderne.

Esența efectului
La anumite cristale, dacă sunt supuse unui efect mecanic (de exemplu, sunt comprimate), centrii de sarcină cu semnale pozitive și negative se separă unul de celălalt. Și aici vine că tensiunea electrică este generată între marginile cristalului.
De fapt, putem spune că, cu ajutorul piezoelectricității, putem transforma forța mecanică în tensiune electrică în mod direct.
Aceasta conține o mulțime de posibilități, deși proprietățile fenomenului sunt departe de a fi încheiate: piezoelectricitatea funcționează și invers. Dacă cristalului piezoelectric este aplicat tensiune, lungimea acestuia se modifică. Deoarece aici sunt implicate distanțe foarte mici și procesul poate fi controlat într-un mod foarte precis, suntem capabili să dimensionăm cristalul chiar și la scară atomică.

Când cristalul este comprimat, se generează tensiune electrică (Sursă: www.wikipedia.org)

Reversul acestui fenomen se numește electrostrictiune. Pierre și Jaque Curie l-au descoperit și pe acesta din urmă, dar asta s-a întâmplat în timp ce examinau o altă substanță. A fost o observație importantă că relația dintre cantitatea de sarcină generată și forța de tracțiune sau compresiune aplicată este liniară, astfel încât una poate fi controlată proporțional cu cealaltă.

Aplicații 
După cum am menționat mai devreme, gama de utilizatori ai piezoelectricității este uriașă, iar transportul rutier este doar o mică parte din acesta. Cu toate acestea, putem oferi o mulțime de exemple practice și din acest domeniu.
Unul dintre cele mai cunoscute exemple este mecanismul de deschidere a supapelor al injectoarelor motoarelor cu combustie internă. La început, o supapă solenoidală a fost folosită ca pedală la motoarele diesel common rail, dar astăzi injectorul piezoelectric are o istorie de zeci de ani.

Injector CR de la Toyota și Renault (sursa: Toyota și Renault)

În acest caz specific, efectul electrostricției este important pentru noi: fiecare membru al plăcilor prezentate în figura de mai sus nu este capabil de o schimbare semnificativă de dimensiune, dar dacă sunt stivuite multe plăci una peste alta, modificarea lungimii poate fi suficientă pentru a deschide fanta în care are loc injecția.
Printre altele, acest lucru se datorează caracteristicii sistemului common rail care permite injecția în mai multe etape, care îmbunătățește optimizarea arderii, calitatea gazelor de eșapament și chiar nivelul de zgomot.
Piezoelectricitatea este la fel de răspândită în lumea dispozitivelor cu ultrasunete. Deoarece cristalul piezoelectric urmărește cu precizie semnalul electric de intrare cu mișcarea sa, vibrațiile mecanice în domeniul ultrasunetelor pot fi produse cu un impuls electric de frecvența corespunzătoare. Și, ca în toate cazurile, este adevărat și invers: sunetele din gama ultra pot fi detectate cu materiale cu proprietăți piezoelectrice.

Un cristal piezoelectric poate fi găsit și la senzorul de parcare (Sursă: www.wikipedia.org)

Astăzi, ne aflăm în faza experimentală a unui încărcător pentru mașini electrice care ar folosi vibrațiile cauzate de undele sonore rezultate din zgomotul urban pentru a genera electricitate.

Alte domenii de aplicare
S-ar putea scrie o serie separată de articole despre celelalte domenii în care se folosește piezoelectricitatea.
Cel mai simplu instrument, evident pentru toată lumea, este bricheta. Desigur, primele mostre nu au fost realizate cu un cristal piezo, dar de îndată ce a apărut noua tehnologie, acestea au devenit mult mai compacte și mai ușor de manevrat. La brichete, materialul piezoelectric este plasat între două plăci metalice. Prin apăsarea ambelor plăci, acestea se încarcă și generează o scânteie electrică.
Semnalele de ceas cu o frecvență foarte stabilă pot fi produse prin electrostricție. Acest lucru se realizează prin aplicarea unei tensiuni alternative cristalului, făcându-l să oscileze. Deoarece cristalul piezoelectric are și propria frecvență, se poate produce o vibrație mecanică stabilă cu un semnal electric reglat la acesta. Acesta este folosit în multe aplicații IT - și la ceasurile cu quartz.
Pe lângă acestea, ar putea fi enumerate multe alte implementări practice (sonar submarin, senzori de mișcare, microscoape de scanare), pe care nu le vom trata în detaliu în acest articol.

Avantaje și dezavantaje
Piezoelectricitatea s-a născut sub o constelație norocoasă, chiar dacă omenirea nu a făcut nimic cu ea timp de multe decenii.
Versatilitatea sa provine, printre altele, din faptul că își poate îndeplini sarcina cu puține materiale, deci într-un volum mic, este foarte precisă. Această caracteristică poate fi menținută pe o perioadă mai lungă de timp și este extrem de fiabilă. Desi functionarea sa este semimecanică, nu necesită întretinere și nu necesita lubrifiere sau racire.
Printre dezavantajele sale, merită menționat faptul că o schimbare semnificativă a temperaturii afectează precizia cristalului. Acesta este motivul pentru care se poate întâmpla, de exemplu, ca două ceasuri de cuarț identice cu o diferență de temperatură ambientală de 30-40 °C să fie întârziate sau grăbite unul față de celălalt.
În general, nu este considerat vulnerabil, dar dacă se întâmplă, cristalul piezo nu poate fi reparat, așa că trebuie înlocuit.