How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

Tradutor: Margarida Ferreira Revisora: Mafalda Ferreira

This is a crystal of sugar.

Isto é um cristal de açúcar.

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

Se o pressionarmos, ele vai gerar eletricidade.

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

Como é que este simples cristal age como uma minúscula fonte de energia?

Because sugar is piezoelectric.

É porque o açúcar é piezoelétrico.

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

Os materiais piezoelétricos transformam a tensão mecânica,

like pressure,

como a pressão,

sound waves,

as ondas sonoras e outras vibrações

and other vibrations

into electricity and vice versa.

em eletricidade, e vice-versa.

This odd phenomenon was first discovered

Este estranho fenómeno foi descoberto, em 1880,

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

pelos irmãos físicos Jacques e Pierre Curie.

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

Descobriram que, se comprimissem delgadas lâminas de determinados cristais,

positive and negative charges would appear on opposite faces.

geravam-se cargas positivas e negativas nas faces opostas.

This difference in charge, or voltage,

Esta diferença de cargas, ou voltagem,

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

significava que o cristal comprimido podia conduzir uma corrente

like a battery.

por um circuito, como uma bateria.

And it worked the other way around, too.

E também funcionava no sentido inverso.

Running electricity through these crystals made them change shape.

À passagem de eletricidade esses cristais deformam-se.

Both of these results,

Estes dois resultados

turning mechanical energy into electrical,

— transformar energia mecânica em elétrica

and electrical energy into mechanical,

e energia elétrica em mecânica —

were remarkable.

eram assinaláveis.

But the discovery went uncelebrated for several decades.

Mas a descoberta ficou ignorada durante várias décadas.

A primeira aplicação prática foi nos instrumentos sonar

The first practical application was in sonar instruments

used to detect German submarines during World War I.

usados para detetar submarinos alemães durante a I Guerra Mundial.

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

Os cristais de quartzo piezoelétricos no transmissor do sonar

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

vibravam quando eram submetidos a uma voltagem alternada.

That sent ultrasound waves through the water.

Isso enviava ondas de ultrassons através da água.

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

Medindo o tempo que essas ondas demoravam a regressar de um objeto

revealed how far away it was.

revelava a distância a que ele estava.

For the opposite transformation,

Quanto à transformação inversa

converting mechanical energy to electrical,

— transformar a energia mecânica em energia elétrica —

consider the lights that turn on when you clap.

pensem nas luzes que se acendem quando batemos palmas.

Clapping your hands send sound vibrations through the air

Quando batemos palmas, enviamos vibrações sonoras pelo ar,

and causes the piezo element to bend back and forth.

e provocamos que o elemento piezo oscile de um lado para o outro.

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

Isso cria uma voltagem que pode gerar corrente suficiente para acender as LED,

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

embora sejam as fontes convencionais de eletricidade que as mantêm acesas.

So what makes a material piezoelectric?

Então, quando é que um material é piezoelétrico?

The answer depends on two factors:

A resposta depende de dois fatores,

the materials atomic structure,

a estrutura atómica dos materiais

and how electric charge is distributed within it.

e a forma como a carga elétrica está distribuída dentro deles.

Many materials are crystalline,

Há muitos materiais cristalinos,

meaning they're made of atoms or ions

ou seja, são feitos de átomos ou de iões

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

ordenados num padrão tridimensional regular.

That pattern has a building block called a unit cell

Esse padrão tem um bloco constituinte que se chama célula unitária

that repeats over and over.

que se repete por toda a estrutura.

In most non-piezoelectric crystalline materials,

Na maior parte dos materiais cristalinos não piezoelétricos

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

os átomos das células unitárias estão distribuídas simetricamente

around a central point.

em volta de um ponto central.

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

Mas há materiais cristalinos que 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 por silicone e oxigénio.

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

O oxigénio tem uma carga ligeiramente negativa

e a silicone uma carga levemente positiva,

creating a separation of charge,

o que cria uma separação de cargas

or a dipole along each bond.

ou um dípolo em cada ligação.

Normalmente, estes dípolos neutralizam-se um ao outro,

Normally, these dipoles cancel each other out,

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

por isso, não há separação de cargas na célula unitária.

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

Mas, se espremermos um cristal de quartzo numa determinada direção,

the atoms shift.

os átomos deslocam-se.

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

Dada a resultante assimetria na distribuição das cargas,

the dipoles no longer cancel each other out.

os dípolos deixam de se neutralizar uns aos outros.

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

A célula comprimida acaba por ter uma carga negativa num dos lados

and a net positive on the other.

e uma carga positiva no outro.

Este desequilíbrio de cargas repete-se por todo o material

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

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

e as cargas opostas juntam-se nas faces opostas do cristal.

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

Isso resulta numa voltagem que pode enviar eletricidade num circuito.

Piezoelectric materials can have different structures.

Os materiais piezoelétricos podem ter diferentes estruturas.

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

Mas têm em comum as células unitárias a que falta um centro de simetria.

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

Quanto maior for a compressão sobre os materiais piezoelétricos,

the larger the voltage generated.

maior é a voltagem gerada.

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

Se, em vez disso, se alongar o cristal, a voltagem inverte-se

making current flow the other way.

fazendo com que a corrente inverta o seu caminho.

More materials are piezoelectric than you might think.

Há mais materiais piezoelétricos do que julgamos.

DNA,

O ADN, os ossos

bone,

and silk

e a seda

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

todos têm a capacidade de transformar a energia mecânica

em energia elétrica.

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

Os cientistas criaram uma série de materiais piezoelétricos sintéticos

and found applications for them in everything from medical imaging

e encontraram aplicações para eles, em tudo, desde a imagiologia médica

to ink jet printers.

às impressoras de tinta a jato.

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 mantêm os relógios a marcar o tempo certo,

the speakers of musical birthday cards,

que ativam os cartões musicais de aniversário

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

e a faísca que acende o gás nalguns isqueiros de grelhadores

when you flick the switch.

quando carregamos no interruptor.

And piezoelectric devices may become even more common

Os aparelhos piezoelétricos podem vir a ser ainda mais vulgares

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

visto que há falta de eletricidade e a energia mecânica é abundante.

There are already train stations that use passengers' footsteps

Já há estações de comboios que usam os passos dos passageiros

to power the ticket gates and displays

para alimentar as portas de acesso e aos painéis de informações

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

e uma discoteca em que a piezoeletricidade contribui para acender as luzes.

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

Poderão os basquetebolistas, ao correr, iluminar o quadro dos resultados?

Or might walking down the street charge your electronic devices?

Ou, ao caminhar, poderemos carregar os aparelhos eletrónicos?

What's next for piezoelectricity?

O que se seguirá para a piezoeletricidade?