La piezoelettricità è una forma di elettricità creata quando alcuni cristalli vengono piegati o deformati in altro modo. Questi stessi cristalli possono anche essere fatti flettere leggermente quando li attraversa una piccola corrente, favorendone l’uso in strumenti per i quali sono necessari grandi gradi di controllo meccanico. Questo è chiamato piezoelettricità inversa. Ad esempio, i microscopi a effetto tunnel (STM) utilizzano cristalli piezoelettrici per “scansionare” la superficie di un materiale e creare immagini di grande dettaglio. La piezoelettricità è correlata alla piroelettricità, in cui viene creata una corrente riscaldando o raffreddando il cristallo.
La proprietà della piezoelettricità è dettata sia dagli atomi nel cristallo sia dal modo particolare in cui quel cristallo si è formato. Alcune delle prime sostanze utilizzate per dimostrare la piezoelettricità sono il topazio, il quarzo, la tormalina e lo zucchero di canna. Oggi conosciamo molti cristalli che sono piezoelettrici, alcuni dei quali possono essere trovati anche nelle ossa umane. Anche alcune ceramiche e polimeri hanno mostrato l’effetto.
Un cristallo piezoelettrico è costituito da più domini interconnessi che hanno cariche positive e negative. Questi domini sono simmetrici all’interno del cristallo, facendo sì che il cristallo nel suo insieme sia elettricamente neutro. Quando il cristallo viene sollecitato, la simmetria viene leggermente interrotta, generando tensione. Anche un minuscolo cristallo piezoelettrico può generare migliaia di voltaggi.
La piezoelettricità viene utilizzata in sensori, attuatori, motori, orologi, accendini e trasduttori. Un orologio al quarzo utilizza la piezoelettricità, così come qualsiasi accendisigari senza pietra focaia. I dispositivi medici ad ultrasuoni creano vibrazioni acustiche ad alta frequenza utilizzando cristalli piezoelettrici. La piezoelettricità viene utilizzata in alcuni motori per creare la scintilla che accende il gas. Gli altoparlanti utilizzano la piezoelettricità per convertire l’elettricità in ingresso in suono. I cristalli piezoelettrici sono utilizzati in molti dispositivi ad alte prestazioni per applicare piccoli spostamenti meccanici sulla scala dei nanometri.
Anche se un cristallo piezoelettrico non si deforma mai di più di pochi nanometri quando viene attraversato da una corrente, la forza dietro questa deformazione è estremamente elevata, dell’ordine dei meganewton. Questo potere deformativo viene utilizzato negli esperimenti di meccanica e per allineare elementi ottici molte volte più pesanti del cristallo piezoelettrico stesso.