Da Sapere, Anno III, Vol. V, N. 59, 15 giugno 1937.
Di G. d’Ayala Valva.

” ■ La natura offre numerosi esempi di trasformazione dell’energia nelle varie sue forme ed in particolare in energia elettrica. Alcune di esse sono state oggetto di un largo sfruttamento industriale come per esempio la trasformazione di energia chimica in energia elettrica utilizzata nelle pile e negli accumulatori. Altre invece hanno sinora costituito solo l’oggetto di speculazioni scientifiche, che però — e questo è il caso della piezoelettricità — le esigenze sempre maggiori e varie della tecnica nuova chiamano mano a mano a pratiche realizzazioni.
■ La piezoelettricità è il fenomeno di trasformazione di energia meccanica in elettrica e viceversa, per il quale sforzi meccanici applicati ad alcune sostanze ne provocano l’elettrizzazione, analogamente a quanto si ha dallo strofinamento della ebanite sulla lana; viceversa cariche elettriche portate sul corpo generano sforzi meccanici.
■ La piezoelettricità è fenomeno peculiare di alcune sostanze cristalline tra le quali in misura più notevole: il quarzo, la tormalina ed il sale di Rochelle. Il quarzo, che è silice cristallizzata, si presenta nella sua forma tipica completa che è però assai rara come è mostrato dalla fig. 1; è importante notare che le faccette m esistono su tre soli dei sei spigoli cosicché, come è visibile dalla sezione esagonale, la faccetta di uno spigolo non ha la corrispondente sullo spigolo opposto. In un cristallo di quarzo si individueranno tre serie di assi di simmetria (fig. 1 e 2); e cioè:
l’asse Z che ha una funzione esclusivamente ottica ed è detto perciò “asse ottico”: nella sua direzione non si ha alcun effetto piezoelettrico;
tre assi X diretti secondo i vertici dell’esagono sezione e detti “assi elettrici”;
tre assi Y perpendicolari ai lati dell’esagono sezione e detti “assi meccanici”.

■ Le lastrine, preparate anche a forma di dischetti, sono tagliate di norma perpendicolarmente ad un’asse X o ad un asse Y; a questi sistemi di taglio daremo d’ora innanzi rispettivamente il nome di “taglio X” e “taglio Y”.
■ Esaminiamo ora il comportamento piezoelettrico del quarzo: se sulle facce di una lastrina “taglio X” (fig. 2) si esercita una compressione nella direzione dell’asse X, su queste facce compariranno cariche elettriche (fig. 3): positive sulla faccia che nel cristallo era rivolta verso uno spigolo munito della faccetta m e negative sulla faccia opposta. Dall’asimmetria della costituzione cristallina del materiale deriva quindi il comportamento piezoelettrico della lastrina. Il segno delle cariche elettriche sulle due facce si invertirà se invece di una compressione sia esercitata una dilatazione; l’intensità delle cariche generate per effetto piezoelettrico è in qualsiasi caso proporzionale allo sforzo meccanico esercitato.
■ Se lo sforzo viene esercitato nella direzione dell’asse Y (fig. 4), le cariche elettriche continueranno a mostrarsi sulle facce A di base ma di segno inverso. Le facce del cristallo perpendicolari all’asse X sono dunque privilegiate agli effetti del fenomeno piezoelettrico ed a tali assi X è stato dato perciò il nome di assi elettrici dai fisici Curie che scoprirono per primi nel 1880 il fenomeno della piezoelettricità. Studi ed esperienze successive hanno dimostrato però come le proprietà piezoelettriche siano comuni a tutte le lastrine in qualsiasi direzione tagliate: esisterà solo un più complicato rapporto tra direzione degli sforzi ed elettrizzazione.

■ Per il fenomeno reciproco cariche elettriche portate sulle facce della stessa lastrina “taglio X” (fig. 5) — applicandovi a mezzo degli elettrodi E una tensione elettrica V di un determinato segno — vi provocheranno una compressione secondo l’asse X ed una dilatazione secondo l’asse Y o rispettivamente una dilatazione ed una compressione se la tensione V sarà di segno opposto. Per una lastrina “taglio Y” (fig. 2) invece una differenza di tensione applicata alle due facce di base genera (fig. 6) sforzi tangenziali diretti perpendicolarmente all’asse Z che tendono a deformare il cristallo come indicato dalla figura.
■ Facciamo ora un altro passo avanti: la lastrina”taglio X” sia sollecitata alla compressione per effetto piezoelettrico; cessato l’impulso essa tornerà alla sua posizione di riposo attraverso una serie di vibrazioni alternativamente di compressione e di dilatazione, il cui numero in un secondo costituisce la frequenza naturale di oscillazione della lastrina. Ciò analogamente al pendolo della fig. 7 che spostato dalla sua posizione di equilibrio tende a ritornarvi attraverso una serie di oscillazioni mano a mano decrescenti in ampiezza. Se a questo pendolo però continuiamo a dare degli impulsi, anche lievissimi, verso destra quando si allontana da B e verso sinistra quando si allontana da A con un ritmo corrispondente alla frequenza di oscillazioni del pendolo, queste oscillazioni non si smorzeranno più ma andranno sempre più aumentando di ampiezza finché il pendolo entrerà in regime di oscillazioni permanenti a spese dei piccolissimi impulsi che vanno a compensare solo le perdite di energia per attriti etc. Così anche nella lastrina piezoelettrica se applichiamo una tensione elettrica alternativa che varii cioè da un massimo positivo ad un altro negativo con la legge rappresentata per es. dalla fig. 8 e che abbia una frequenza pari a quella naturale della lastrina, questa si metterà in stato di oscillazioni permanenti, la cui ampiezza potrà aumentare sino al punto di fare riscaldare fortemente la lastrina ed anche spezzarla; ciò costituisce ovviamente un limite all’energia massima ricavabile dalle oscillazioni della lastrina.

■ Caratteristica principale di queste oscillazioni è che la loro frequenza si mantiene rigorosamente costante, ciò per varie ragioni e principalmente per il fatto che le resistenze di attrito interne della lastrina, le quali tenderebbero a smorzare le oscillazioni, sono molto piccole rispetto all’inerzia della sua massa, inerzia che tende quindi a mantenere un regime costante di oscillazioni, identicamente come un pendolo di massa oscillante molto grande e con resistenze molto piccole di attrito e di avanzamento oscilla ad un regime di frequenza costante. Si costruiscono cristalli per la frequenza di 100.000 periodi al secondo con la precisione dell’ordine di un solo decimilionesimo di periodo; ciò equivale, riferendoci ai tempi, alla tolleranza di un centesimo di secondo al giorno che rappresenta il più alto limite di precisione raggiunto dalla tecnica.

■ Generatori di oscillazioni di frequenza così rigorosamente costante sono assai utili alla tecnica radio; negli impianti riceventi un cristallo di quarzo oscillante su di una determinata frequenza, offre il più facile passaggio alle radio correnti del segnale di frequenza uguale alla propria, mentre arresta i segnali su altre frequenze conferendo così ai ricevitori un alto grado di “selettività”. Così analogamente un pendolo che sia sollecitato da impulsi fuori ritmo, si oppone a questi impulsi diminuendo al tempo stesso le sue oscillazioni fino ad arrestarsi. Per quanto riguarda gli impianti trasmittenti è noto poi come, dato il grandissimo numero di stazioni radio diffonditrici, ognuna debba mantenere rigorosamente costante la frequenza assegnatale per non invadere il campo delle frequenze destinate alle stazioni vicine e per essere ricevuta costantemente dai ricevitori sintonizzati su quella frequenza. Il quarzo generatore di oscillazioni — che poi saranno amplificate alla potenza voluta dalla stazione — rende quindi qui i suoi più preziosi servigi. Delle numerose modalità d’inserzione dei cristalli di quarzo nei circuiti trasmittenti riportiamo il primo circuito di Pierce (fig. 9) nel quale il cristallo è inserito tra placca e griglia della valvola: sono schematicamente illustrate nella figura le fasi di generazione delle oscillazioni con un parallelo, per la più facile comprensione del fenomeno, con le oscillazioni similari del pendolo. Chiuso l’interruttore l viene data tensione agli elettrodi del cristallo, il quale si comprimerà sviluppando per effetto piezoelettrico sulle sue facce cariche elettriche che l’esperienza mostra dello stesso segno di quelle applicate. Sulla griglia appariranno quindi cariche negative che saranno amplificate dalla valvola portando per il meccanismo della valvola stessa nuove cariche positive sull’elettrodo positivo del cristallo. La compressione del cristallo aumenterà sempre più sino ad un massimo (corrispondente alla posizione più alta del pendolo); raggiunto questo massimo la compressione della lastrina diminuisce, e con essa la generazione di cariche per effetto piezoelettrico, fino ad annullarsi completamente (il pendolo è di nuovo nella posizione di riposo). Ma questa posizione di riposo è superata per inerzia ed il cristallo tende ora a dilatarsi fino a raggiungere un massimo e quindi di nuovo a diminuire nella successiva fase sino a zero per poi ripetersi la fase di compressione e così di seguito. Il cristallo è entrato in regime di oscillazioni alla frequenza sua naturale mercé l’impulso elettrico dato in un senso solo dalla batteria anodica a corrente continua la quale manterrà a spese della sua energia queste oscillazioni.

■ Analogamente noi in un orologio: con la forza unidirezionale della molla di scappamento generiamo oscillazioni alternative del pendolo che essa aziona.
■ Sorge ora spontanea la domanda: quale è questa frequenza naturale, o meglio le frequenze naturali del cristallo, dato che possono essere parecchie per una stessa lastrina come per un qualsiasi corpo vibrante. Nel caso del quarzo queste frequenze dipendono, oltre che dalle dimensioni, dal sistema di taglio della lastrina. Per una lastrina “taglio X” quanto prima si è detto fa intuire come vi siano due oscillazioni naturali distinte: una nella direzione dell’asse X di valore (in migliaia di periodi al 1″) f = 110 a (fig. 10) dove a è lo spessore della lastrina ed una nella direzione dell’asse Y (fig. 11) di valore f = 110 b in cui b è la dimensione della lastrina secondo l’asse Y.

■ Per una lastrina “taglio Y” si ha un’unica oscillazione (fig. 12) di scorrimento e di valore pari a f = 145 a, in cui a indica sempre lo spessore della lastrina. La frequenza naturale per le lastrina “taglio Y” è quindi a parità di spessore più elevata di quella di una lastrina “taglio X“. Il “taglio Y” viene infatti denominato per “onde corte” (come è noto alle frequenze più alte corrispondono le onde più corte) mentre l’altro taglio è detto “per onde lunghe”.
■ Per le onde ultra corte, inferiori cioè a 10 m, lo spessore della lastrina di quarzo risulta assai sottile e quindi le difficoltà di precisione nella lavorazione aumentano molto. La tecnica moderna ha perciò sostituito per queste lunghezze di onde lastrine di tormalina che, a parità di frequenza di oscillazioni, hanno uno spessore circa doppio del quarzo; ciò è in relazione alla maggiore attitudine elastica della tormalina, attitudine dalla quale l’effetto piezoelettrico dipende e cui la frequenza di oscillazioni della lastrina è legata.
■ Lastrine tagliate in altre direzioni oscillano in maniera molto complessa ed il numero delle loro frequenze naturali di oscillazione è notevole e non facilmente calcolabile.
■ I cristalli di quarzo vengono montati in porta cristalli di vario tipo tra i quali la fig. 13 riporta uno dei più semplici. L’elettrodo inferiore A su cui poggia il cristallo B è in ottone ed è sostenuto a sua volta da una base isolante C; l’elettrodo superiore D non poggia direttamente sul cristallo ma ne è separato da uno spessore d’aria. Se poggiasse direttamente impedirebbe al cristallo la libera oscillazione mentre se ne fosse troppo distante l’eccitazione ad oscillare sarebbe insufficiente; variando questo spessore si può variare entro una limitata percentuale la frequenza del cristallo.
■ Il porta cristallo viene chiuso in una cassetta metallica foderata di feltro contro gli urti esterni e mantenuta nell’interno automaticamente ad una temperatura costante; precauzione questa indispensabile perché anche piccole variazioni di temperatura fanno variare in più o in meno, secondo cristalli e sistemi di taglio, la frequenza naturale della lastrina.
■ Si può anche sfruttare del quarzo un effetto luminoso chiudendo la lastrina in una capsula di vetro contenente un’atmosfera rarefatta di neon o altro gas; il cristallo oscillando fortemente, ionizza (cioè elettrizza) l’atmosfera del gas che diventa luminoso.

■ Le proprietà piezoelettriche dei cristalli sono state applicate anche per un nuovo tipo di microfono studiato in America utilizzando il sale di Rochelle. Questo cristallo (fig. 12) ha la proprietà che una lastrina tagliata nel modo indicato dalla figura tende a contrarsi nella direzione X ed a dilatarsi nella direzione Y quando sulle facce perpendicolari all’asse A siano applicate cariche elettriche e viceversa. Se si uniscono due di queste lamine che agiscano in senso opposto — cioè l’una si dilati mentre l’altra si comprima sotto l’influenza di cariche elettriche, l’insieme tenderà ad incurvarsi. Viceversa, incurvandosi sotto la influenza di onde sonore, si svilupperanno sulle sue facce delle cariche elettriche (fig. 14) che saranno raccolte agli elettrodi e poiché l’effetto piezoelettrico è debolissimo sottoposte quindi a conveniente amplificazione. Le lastrine destinate allo scopo sono di dimensioni piccolissime — circa 6 mm x 6 mm e dello spessore di un decimillesimo di millimetro — e poiché, come si è detto, l’effetto piezoelettrico relativo è piccolissimo, di esse ne vengono utilizzate parecchie disponendole a pila in modo da dare a questo tipo di microfono il curioso aspetto illustrato dalla fig. 15 che mostra il microfono senza capsula di protezione. Ad analogo principio è ispirato il pick up per riproduzioni grammofoniche; anche da ditte americane è stato di recente lanciato un tipo di cuffia telefonica piezoelettrica che ha per ogni auricolare una sottile lastrina di cristallo di sale di Rochelle collegata ad un piccolo cono di carta speciale che vibra con essa sotto l’azione delle correnti del segnale.

■ Anche gli osservatori astronomici hanno utilizzato le proprietà piezoelettriche dei cristalli per realizzare orologi di alta precisione. In questi orologi il quarzo generatore — mantenuto a temperatura rigorosamente costante e protetto in campane di vetro da variazioni di pressione e di umidità — genera oscillazioni elettriche della frequenza costante di 100.000 periodi al secondo, che, per mezzo di adatti dispositivi elettrici, vengono demoltiplicate alla frequenza altrettanto costante di 1000 periodi al secondo. Questa frequenza più bassa sarà ora adatta a comandare il movimento delle lancette, a mezzo di un motore sincrono — del tipo delle ruote foniche — che data l’assoluta costanza di frequenza della corrente d’alimentazione, manterrà la sua velocità rigorosamente costante. Orologi simili sono stati realizzati dal Bureau of Standard di America ed ultimamente anche in Germania con brillanti risultati; sulla base della loro assoluta precisione alcuni astronomi avrebbero anzi riscontrato delle influenze lunari sulle oscillazioni dei pendoli dei comuni orologi.”