Experimento 3: Ondas na Água com Transdutor Piezoelétrico

I.  INTRODUÇÃO

Este último experimento apresentado, consistia em um aquário com água e em suas extremidades foram acoplados dois ‘transdutores piezoelétricos’ feitos de materiais cerâmicos, um em cada uma das extremidades laterais e para uma respectiva função. De um lado, o transdutor operava como sendo um ‘atuador’, e do outro lado, operava como um ‘sensor’, como descrito a seguir no relatório.

II.  CONVERSÃO DE ENERGIA

A excitação dos materiais piezoelétricos ocorre na passagem de corrente elétrica ao material. Porém sua desvantagem é devida à fragilidade mecânica, mas que à partir do pré-tensionamento no processo de fabricação, pode-se otimizar essas características.
Como se é estudado nos ramos da física, a energia se conserva. Então, o que provavelmente pode-se considerar nesse experimento é a conservação da energia, mas também a conversão que ocorre, quando um dos extremos (transdutor atuador) recebe um pulso elétrico e muda suas dimensões, enviando um sinal mecânico para o meio. Assim, pode-se afirmar que a conversão que está ocorrendo seria de energia elétrica para mecânica. E ao contrair emite ondas pela água contida no aquário, que talvez não seja perceptível visualmente, mas que estas podem ser captadas pelo outro transdutor, chamado de sensor, e este faz o processo inverso e então converte novamente essa energia mecânica recebida para elétrica, em um dispositivo eletrônico, e que também torna possível analisar a onda recebida por um osciloscópio e determinar sua amplitude, frequência, e então determinar o tempo que a onda levou para atravessar o comprimento do aquário pela água, e assim obter sua velocidade.

III.  TRANSDUTOR ATUADOR

O material cerâmico piezoelétrico ao receber pulsos elétricos de um dispositivo eletrônico, acoplado ao mesmo, emite ondas senoidais mecânicas na água com frequência de 1 MHz, que pode ser considerada como a frequência natural específica deste material cerâmico piezoelétrico.

IV.  TRANSDUTOR SENSOR

Esses materiais cerâmicos podem também ser usados de forma passiva, como sensores, e fazendo o processo inverso dos atuadores.
Nessa forma de utilização, a propriedade piezoelétrica direta do material é explorada de forma a obter uma diferença de potencial elétrica, a partir de uma tensão mecânica externa.

V.  VELOCIDADE DO SOM NA ÁGUA

A velocidade de propagação do som na água, calculada através do tempo obtido no osciloscópio, foi de aproximadamente 1480 m/s. Valor este, muito próximo dos encontrados nas literaturas disponíveis de física, como nos livros didáticos, mas que pôde ser verificado experimentalmente.Como uma forma alternativa, a verificação também pode ser feita medindo o comprimento do aquário       (20 cm), e o tempo que a onda mecânica levou para atravessar, e chegar ao outro lado (135 µs).

Referência

David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. Fundamentos de Física, Volume 2. 8ª edição.