Piezoelectricidad

Un disco piezoeléctrico genera un voltaje cuando se deforma.

La piezoelectricidad (del griego piezein, "estrujar o apretar") es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.

Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas.

Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, berlinita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados).

Historia de los materiales piezoeléctricos

La propiedad de la piezoelectricidad fue observada por primera vez por Pierre y Jacques Curie en 1881 estudiando la compresión del cuarzo. Al someterlo a la acción mecánica de la compresión, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga. Esta polarización es la causante de que salten las chispas.

Para que la materia presente la propiedad de la piezoelectricidad debe cristalizar en sistemas que no tengan centro de simetría (que posean disimetría) y por lo tanto que tengan un eje polar. De las 32 clases cristalinas, 21 no tienen centro de simetría. Todas estas clases menos una tienen la propiedad piezoeléctrica en mayor o menor medida. Los gases, los líquidos y los sólidos con simetría no poseen piezoelectricidad.

Si se ejerce una presión en los extremos del eje polar, se produce polarización: un flujo de electrones va hacia un extremo y produce en él una carga negativa, mientras que en el extremo opuesto se induce una carga positiva.

El alto voltaje obtenido, que es necesario para que salte la chispa, es mayor si se utilizan láminas de cristal estrechas y de gran superficie. Las láminas estrechas se cortan de manera que el eje polar cruce perpendicularmente a dichas caras. La corriente generada es proporcional al área de la placa y a la rapidez de la variación de la presión aplicada perpendicularmente a la superficie de la placa (dF/ dt es la rapidez del clic-clac).

Otra aplicación importante de la piezoelectricidad es la que resulta por cumplirse la propiedad inversa:

-Si sometemos la placa de material piezoeléctrico a una tensión variable, se comprime y se relaja oscilando a los impulsos de una señal eléctrica.

-Si esta placa está en contacto con un fluido le transmite sus vibraciones y produce ultrasonidos.

La primera aplicación práctica de la piezoelectricidad, que surge de la cualidad de transformar una señal mecánica (la presión) en una señal eléctrica (corriente eléctrica ), es la del sónar.

Al final de la Primera guerra mundial se descubrió que las ondas sonoras producidas por los submarinos podían ser detectadas por un trozo de cuarzo sumergido en el agua, en el que se medían las corrientes generadas pudiéndose detectar de qué dirección venía el sonido.

El sonar consta de una sonda (piezoeléctrico) que es un transductor, es decir, funciona con la siguiente sucesión de eventos:

• Emite vibraciones que producen ondas ultrasónicas en el agua en la dirección del eje polar, es decir, recibe su eco.
• El emisor se mueve para que la onda emitida barra el espacio hasta localizar la dirección en que se encuentra el obstáculo.
• El eco recibido golpea el cristal piezoeléctrico y produce una corriente eléctrica.
• Finalmente la distancia a que se encuentra el obstáculo que reemite un eco, se obtiene aplicando los cálculos derivados de la teoría del efecto Doppler.

Clases de cristales

Dentro de los 32 grupos cristalográficos existen 21 que no tienen un centro de simetría, y de estos, unos 20 exhiben directamente piezoelectricidad (la número 21 es la clase cúbica 432). Diez de estos son polares, es decir, presentan polarización instantánea debido a que contienen un dipolo eléctrico en su celda unidad, y el material exhibe piroelectricidad, de entre estos algunos son además ferroeléctricos cuando este dipolo puede invertirse la dirección del dipolo mediante la aplicación de un campo eléctrico. Las clases cristalográficas son:

• Clases cristalográficas piezoeléctricas: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m.
• Clases cristalográficas piroeléctricas: 1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.

Ecuaciones de la piezoelectricidad

Las ecuaciones constitutivas de los materiales piezoeléctricos combinan tensiones, deformaciones y comportamiento eléctrico:

$D=\epsilon E \;$

i donde D es el Densidad de flujo eléctrico, $\epsilon \;$ es la permitividad y E es el campo eléctrico:

$S=s T \;$

donde S es la deformación y T es la tensión.

Estas ecuaciones pueden combinarse en una ecuación que considera la relación entre carga y deformación:

$\{S\} = \left [s^E \right ]\{T\}+[d^T]\{E\}$

$\{D\} = [d]\{T\}+\left [ \epsilon^T \right ] \{E\}$

donde d representa las constantes piezoeléctricas del material, y el superíndice E indica que la magnitud está medida bajo campo eléctrico constante o cero, y el superíndice t señala que se trata de una forma traspuesta de matriz.

Esto se puede reescribir en forma matricial como:

$\begin{bmatrix} S_1 \\ S_2 \\ S_3 \\ S_4 \\ S_5 \\ S_6 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} s_{11}^E & s_{12}^E & s_{13}^E & 0 & 0 & 0 \\ s_{12}^E & s_{11}^E & s_{13}^E & 0 & 0 & 0 \\ s_{13}^E & s_{13}^E & s_{33}^E & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & s_{44}^E & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & s_{44}^E & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & s_{66}^E=2\left(s_{11}^E-s_{12}^E\right) \end{bmatrix} \begin{bmatrix} T_1 \\ T_2 \\ T_3 \\ T_4 \\ T_5 \\ T_6 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 0 & 0 & d_{31} \\ 0 & 0 & d_{31} \\ 0 & 0 & d_{33} \\ 0 & d_{15} & 0 \\ d_{15} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} E_1 \\ E_2 \\ E_3 \end{bmatrix}$

$\begin{bmatrix} D_1 \\ D_2 \\ D_3 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & d_{15} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & d_{15} & 0 & 0 \\ d_{31} & d_{31} & d_{33} & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} T_1 \\ T_2 \\ T_3 \\ T_4 \\ T_5 \\ T_6 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} \epsilon\ {}_{11} & 0 & 0 \\ 0 & \epsilon\ {}_{11} & 0 \\ 0 & 0 & \epsilon\ {}_{33} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} E_1 \\ E_2 \\ E_3 \end{bmatrix}$

Línea de retardo de 64μs (PAL). Se ha retirado la cápsula para ver su interior.

Aplicaciones

Una de las aplicaciones más extendidas de este tipo de cristales son los encendedores eléctricos. En su interior llevan un cristal piezoeléctrico que es golpeado de forma brusca por el mecanismo de encendido. Este golpe seco provoca una elevada concentración de carga eléctrica, capaz de crear un arco voltaico o chispa que encenderá el mechero.

Otra de las importantes aplicaciones de un cristal piezoeléctrico es su utilización como sensor de vibración. Cada una de las variaciones de presión producidas por la vibración provoca un pulso de corriente proporcional a la fuerza ejercida. Se ha convertido de una forma fácil una vibración mecánica en una señal eléctrica lista para amplificar. Basta con conectar un cable eléctrico a cada una de las caras del cristal y enviar esta señal hacia un amplificador. Por ejemplo, en pastillas piezoeléctricas de guitarra.

Otra aplicación muy importante de la piezoelectricidad, pero en este caso al revés, son los inyectores de combustible de los motores de combustión interna. Al aplicarse una diferencia de potencial a un material piezoeléctrico, se consigue abrir el inyector, permitiendo al combustible a muy alta presión entrar en el cilindro. El uso de inyectores piezoeléctricos permite controlar con una enorme precisión los tiempos de inyección y la cantidad de combustible que se introduce en el motor, lo que redunda en mejoras en el consumo, prestaciones y rendimiento de los motores.

Materiales

Materiales utilizados en electrónica:

• Cuarzo
• Rubidio
• Sal de Seignette
• Cerámicas
• Cerámica piezoeléctrica
• Cerámica técnica

Aplicaciones

• Altavoces de agudos (Tweeters), pequeños altavoces.
• Cápsula (Pick-up) de tocadiscos.
• Mecheros eléctricos
• Encendido electrónico de calefons y estufas a gas.
• Sensores .
• Transductores ultrasónicos (como los cabezales de los ecógrafos).
• Transductor piezoeléctrico
• Transformador Piezoeléctrico.
• Destartradores odontológicos de ultrasonido para la remoción del tártaro o "sarro" interdental

Véase también

• Ferroelectricidad
• Microbalanza de cristal de cuarzo

Enlaces externos

• RMCybernetics - Electricidad de los minerales
• 'Piezo Terminology' - Piezo Systems, Inc.
• 'Historia de la Piezoelectricidad' - ibid.
• "Piezoelectric Constitutive Equation" from Engineering Fundamentals
• Símbolos de cristales piezoeléctricos
• Piezomechanik - Fabricante de actuadores piezoeléctricos
• Physikinstrumente - Fabricante de actuadores piezoeléctricos
• Teleformación - piezoeléctricos
• Catálogo de pulsadores piezoeléctricos