How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

Como obter eletricidade de cristais - Ashwini Bharathula

Tradutor: Leonardo Silva Revisor: Maricene Crus

This is a crystal of sugar.

Este é um cristal de açúcar.

If you press on it, it will actually generate its own electricity.

Sob pressão, ele vai gerar eletricidade.

How can this simple crystal act like a tiny power source?

Como pode este simples cristal ser uma fonte minúscula fonte de energia?

Because sugar is piezoelectric.

Porque o açúcar é piezoelétrico.

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

Materiais piezoelétricos transformam estímulos mecânicos,

like pressure,

como pressão, ondas sonoras e outras vibrações em eletricidade,

sound waves,

and other vibrations

into electricity and vice versa.

e vice-versa.

This odd phenomenon was first discovered

Esse estranho fenômeno foi descoberto

by the physicist Pierre Curie and his brother Jacques in 1880.

pelo físico Pierre Curie e seu irmão Jacques, em 1880.

They discovered that if they compressed thin slices of certain crystals,

Eles descobriram que, se comprimissem finas fatias de determinados cristais,

positive and negative charges would appear on opposite faces.

cargas positivas e negativas apareceriam em lados opostos.

Essa diferença de cargas, ou voltagem,

This difference in charge, or voltage,

meant that the compressed crystal could drive current through a circuit,

significava que o cristal comprimido conduzia corrente por um circuito,

like a battery.

como uma bateria.

E funcionava ao contrário também.

And it worked the other way around, too.

Running electricity through these crystals made them change shape.

Conduzir eletricidade por esses cristais modificava o formato deles.

Both of these results,

Ambos os resultados,

turning mechanical energy into electrical,

transformar energia mecânica em elétrica e energia elétrica em mecânica,

and electrical energy into mechanical,

foram extraordinários,

were remarkable.

But the discovery went uncelebrated for several decades.

mas essa descoberta ficou décadas sem ser apreciada.

A primeira aplicação prática foi em instrumentos de sonar

The first practical application was in sonar instruments

usados para detectar submarinos alemães durante a Primeira Gerra Mundial.

used to detect German submarines during World War I.

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

Cristais de quartzo piezoelétricos no transmissor do sonar

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

vibravam quando submetidos a voltagem alternante.

That sent ultrasound waves through the water.

Isso enviava ondas de ultrassom através da água.

Measuring how long it took these waves to bounce back from an object

Medindo quanto tempo essas ondas levavam pra recochetear no objeto e voltar,

revealed how far away it was.

descobria-se a que distância o objeto estava.

For the opposite transformation,

Para a transformação inversa, converter energia mecânica em elétrica,

converting mechanical energy to electrical,

consider the lights that turn on when you clap.

imagine lâmpadas que se acendem ao batermos palmas.

Clapping your hands send sound vibrations through the air

As palmas emitem vibrações pelo ar

and causes the piezo element to bend back and forth.

e fazem com que o elemento piezo estremeça.

Isso gera uma voltagem capaz de conduzir corrente suficiente para acender as LEDs,

This creates a voltage that can drive enough current to light up the LEDs,

though it's conventional sources of electricity that keep them on.

embora sejam as fontes convencionais de energia que as mantêm ligadas.

So what makes a material piezoelectric?

Mas o que torna um elemento piezoelétrico?

The answer depends on two factors:

A resposta depende de dois fatores:

the materials atomic structure,

a estrutura atômica do material

and how electric charge is distributed within it.

e a forma como a carga elétrica se distribui nessa estrutura.

Many materials are crystalline,

Muitos materiais são cristalinos,

meaning they're made of atoms or ions

ou seja, feitos de átomos e íons agrupados em um padrão tridimensional.

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

That pattern has a building block called a unit cell

Esse padrão tem um elemento fundamental chamado de célula unitária

that repeats over and over.

que se repete continuamente.

In most non-piezoelectric crystalline materials,

Na maioria dos materiais cristalinos não piezoelétricos,

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

os átomos em suas células unitárias se distribuem simetricamente

around a central point.

em torno de um ponto central,

But some crystalline materials don't possess a center of symmetry

mas alguns materiais cristalinos não possuem um centro de simetria,

making them candidates for piezoelectricity.

o que os torna candidatos à piezoeletricidade.

Vejamos o quartzo,

Let's look at quartz,

a piezoelectric material made of silicon and oxygen.

um material piezoelétrico composto de silício e oxigênio.

The oxygens have a slight negative charge and silicons have a slight positive,

O oxigênio tem carga levemente negativa e o silício tem carga levemente positiva,

creating a separation of charge,

o que gera uma separação de cargas, ou dipolo, ao longo de cada ligação.

or a dipole along each bond.

Geralmente, esses dipolos cancelam-se mutuamente,

Normally, these dipoles cancel each other out,

so there's no net separation of charge in the unit cell.

assim não há separação líquida de carga na célula unitária.

But if a quartz crystal is squeezed along a certain direction,

Porém, se um cristal de quartzo for espremido em determinada direção,

the atoms shift.

os átomos mudam.

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

Devido à assimetria resultante na distribuição de cargas,

the dipoles no longer cancel each other out.

os dipolos não se cancelam mais.

The stretched cell ends up with a net negative charge on one side

A célula esticada acaba com uma carga líquida negativa em um dos lados

and a net positive on the other.

e uma carga líquida positiva no outro.

Esse desequilíbrio de cargas se repete em todo o material

This charge imbalance is repeated all the way through the material,

e as cargas opostas se acumulam nos lados opostos do cristal.

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

This results in a voltage that can drive electricity through a circuit.

Isso gera uma voltagem capaz de conduzir eletricidade através de um circuito.

Piezoelectric materials can have different structures.

Materiais piezoelétricos podem ter estruturas diferentes,

But what they all have in common is unit cells which lack a center of symmetry.

mas o que todos têm em comum são células unitárias sem um centro de simetria.

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

Quanto mais forte a pressão sobre o material piezoelétrico,

the larger the voltage generated.

maior será a voltagem gerada.

Stretch the crystal, instead, and the voltage will switch,

Já esticando o cristal, a voltagem mudará, fazendo a corrente fluir ao contrário.

making current flow the other way.

More materials are piezoelectric than you might think.

Há mais materiais piezoelétricos do que você imagina.

DNA,

DNA, ossos e seda

bone,

and silk

possuem a capacidade de transformar energia mecânica em energia elétrica.

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

Cientistas criaram uma variedade de materiais piezoelétricos sintéticos

and found applications for them in everything from medical imaging

e descobriram aplicações para eles,

desde em exames diagnósticos de imagem a impressoras a jato de tinta.

to ink jet printers.

Piezoelectricity is responsible for the rhythmic oscillations

A piezoeletricidade é responsável pelas oscilações rítmicas

of the quartz crystals that keep watches running on time,

dos cristais de quartzo que fazem os relógios marcarem a hora certa,

the speakers of musical birthday cards,

pelos alto-falantes de cartões musicais

and the spark that ignites the gas in some barbecue grill lighters

e pela centelha que acende algumas churrasqueiras,

ao clicarmos o acendedor.

when you flick the switch.

Os dispositivos piezoelétricos talvez se tornem ainda mais comuns,

And piezoelectric devices may become even more common

já que a demanda por eletricidade é alta e a energia mecânica é abundante.

since electricity is in high demand and mechanical energy is abundant.

There are already train stations that use passengers' footsteps

Já existem estações de trem que usam a energia dos passos dos passageiros

to power the ticket gates and displays

para fazer funcionar catracas e telões,

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

e uma boate em que a piezoeletricidade ajuda a acender as luzes.

Passos de jogadores de basquete poderiam fornecer energia para acender o placar?

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

Or might walking down the street charge your electronic devices?

Ou caminhar pela rua poderia ajudar a carregar aparelhos eletrônicos?

What's next for piezoelectricity?

Qual será o futuro da piezoeletricidade?