Pesquisas em materiais ferroelétricos com fontes de Alta Tensão
Este artigo mostra um pouco das pesquisas feitas no Grupo de Ferroelétricos e Materiais Multifuncionais (GFeMM) do Instituto de Física da Universidade Federal de Uberlândia (http://www.infis.ufu.br/gfemm).
Um dos objetivos do GFeMM é investigar as propriedades físicas de materiais ferroelétricos, voltados para aplicações práticas.
Materiais ferroelétricos
Os materiais ferroelétricos apresentam características muito interessantes, como a possibilidade de manter um campo elétrico permanente, similar aos materiais ferromagnéticos, que podem manter um campo magnético permanente. O nome “ferroelétrico” vem da similaridade das propriedades desses materiais com os materiais ferromagnéticos, apesar desses materiais raramente possuírem o componente Ferro em sua composição.
Ao submeter um material isolante a um campo elétrico intenso, tipicamente gerado por uma fonte de alta tensão, acontece um deslocamento de cargas, sem que essas cargas se desprendam dos átomos e moléculas. São formados os dipolos elétricos. Ao cessar o campo elétrico, as cargas voltam para os seus lugares e os dipolos se desfazem. Nos materiais ferroelétricos, no entanto, os dipolos não se desfazem ao ser retirado o campo elétrico.
Materiais Piezoelétricos
Alguns dos materiais ferroelétricos recebem o nome de “piezoelétricos”. A piezoeletricidade se manifesta com a interação entre as propriedades elásticas e elétricas do material. Ou seja, ao aplicar uma tensão elétrica o material se deforma seguindo a direção da tensão (seja DC ou AC); este efeito também é inverso: se aplicarmos uma tensão mecânica no material, ele manifesta uma tensão elétrica.
Os materiais piezoelétricos estão muito presentes na vida moderna. O cristal de quartzo, por exemplo, está presente em praticamente todos os equipamentos eletrônicos, porque é o componente mais utilizado para gerar o “clock” dos circuitos eletrônicos.
Outra aplicação importante é a geração de sons de frequência muito alta (“ultrassom”), que são utilizados na medicina e na indústria. Outras aplicações estão sendo desenvolvidas como, por exemplo, a pista de dança que gera energia elétrica e “microequipamentos” que serão implantados no corpo humano cuja energia virá desses materiais (ex: Revista Galileu).
Polarização com Fonte de Alta Tensão
Para que o material manifeste o fenômeno da piezo eletricidade, o mesmo deve estar polarizado, ou seja, deve possuir uma orientação preferencial prévia das cargas dentro dele. A orientação é feita na direção de um campo elétrico aplicado, que é gerado com a utilização de uma fonte de alta tensão e “contatos” adequados. O campo elétrico é dado pela relação E=V/h, sendo V a tensão aplicada e h a espessura da amostra, mostrados na figura abaixo.
Por exemplo, para um campo elétrico de 4kV/mm, que é um valor adequado para a polarização, para uma amostra de h=0,65mm, a tensão necessária é 2600V. Essa tensão é facilmente alcançada utilizando a fonte GEN da Inergiae.
Polarização com Fonte de Alta Tensão
Para isso a amostra pode ser colocada em um “impedâncimetro” que mede, entre outros parâmetros, o módulo da impedância (|Z|) e a fase em função da frequência de uma tensão aplicada de AC de baixa intensidade (~0.5V). Esta tensão é chamada de tensão de prova e é usada simplesmente para observar as ressonâncias piezoelétricas em função da frequência. Se a amostra está polarizada aparecerão curvas de ressonâncias em certas regiões de frequências, cujos valores dependem da geometria da amostra.
As figuras a seguir mostram os dados de uma amostra antes da polarização e depois da polarização. Os gráficos são:
- a resposta em toda a faixa de frequência (100kHz a 1.000kHz);
- a resposta na faixa de frequências de 200kHz a 300kHz, justo onde se observa a maior ressonância;
- diagrama no plano complexo (chamado de diagrama de Argand) que mostra um círculo na região da maior ressonância (200kHz-300kHz).
A partir da curvas de ressonância e do diagrama de Argand podem ser calculados outros parâmetros característicos dos piezoelétricos para mostrar a potencialidade de aplicação.
Antes da Polarização:
Depois da Polarização:
A seguir uma foto da amostra sendo polarizada com auxílio da fonte GEN1205 da Inergiae.
Artigo produzido com colaboração e dados fornecidos pelo Prof. José de los Santos Guerra do GFeMM da Universidade Federal de Uberlândia.