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Materiales piezoeléctricos

La piezoelectricidad es un fenómeno que se produce en algunos cristales cuando son sometidos a tensiones mecánicas. Estos materiales piezoeléctricos alcanzan en su masa una polarización eléctrica, apareciendo una diferencia de potencial y cargas en su superficie.

La propiedad de la piezoelectricidad fue descubierta por Pierre y Jacques Curie en 1881, quien dio con el hallazgo analizando la compresión del cuarzo. Al someterlo a la acción mecánica de la compresión, las cargas de la materia se separan, causando una polarización de la carga, lo cual origina que salten chispas.

Estos materiales son muy utilizados en la industria, pero antes de abordar su aplicación y utilidad veamos su definición.

¿Qué son los materiales piezoeléctricos?

Los materiales piezoeléctricos son materiales que tienen la capacidad de concebir carga eléctrica interna a partir de la tensión mecánica aplicada.

Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que escasean de centro de simetría. Una compresión o un cizallamiento provocan segregación de los centros de gravedad de las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas. Por tanto, en la masa surgen dipolos elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas brotan cargas de signo opuesto.

Algunos de estos materiales lo podemos conseguir de forma natural. Es decir, son proporcionados por la naturaleza e incluyen hueso, cristales, ciertas cerámicas, adn, esmalte, sedadentina y muchos más.

Principio de funcionamiento de los materiales piezoeléctricos

Como lo mencionamos arriba, la piezoelectricidad se caracteriza por ser una sustancia para formar electricidad si se le aplica una tensión como apretar, doblar o torcer.

Esto ocurre a través de un proceso que es el siguiente

Cuando se coloca bajo tensión, el cristal piezoeléctrico produce una polarización, P , ajustada a la tensión que lo produjo.

La fórmula central de la piezoelectricidad es p = d × tensión, donde d es el coeficiente piezoeléctrico, un elemento único para cada tipo de material piezoeléctrico. El coeficiente piezoeléctrico para el cuarzo es 3 × 10-12. El coeficiente piezoeléctrico para el titanato de circonato de plomo (pzt) es 3 × 10-10.

En la red cristalina se originan pequeños desplazamientos de iones que crean la polarización observada en la piezoelectricidad. Es importante resaltar que este fenómeno solo presenta en cristales que no tienen un centro de simetría

Clasificación de los materiales piezoeléctricos

Podemos contar con dos grupos de materiales que describiremos a continuación:

  • Los de naturaleza piezoeléctrica primigenia: cuarzo, turmalina, entre otros
  • Los conocidos como ferroeléctricos: tantalato de litio, nitrato de litio, berlinita, en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares, que al ser sometidos a polarización obtienen características piezoeléctricas.
Dispositivos conformados con materiales piezoeléctricos

Los materiales piezoeléctricos son usados en las industrias en distintos procesos que dan como resultados diversos productos como por ejemplo, los mencionados a continuación.

  • Dispositivos médicos
  • Telecomunicaciones
  • Automotor
  • Tecnología de la Información (TI)
  • Fuentes de energía de alto voltaje
  • Encendedores de cigarrillos eléctricos
  • Parrillas de gas o estufas y quemadores de gas.
  • Transformador piezoeléctrico. En esta aplicación, los materiales son usados como un multiplicador de voltaje de CA en lámparas fluorescentes de cátodo frío.
  • Sensores Piezoeléctricos tales como el sensor ultrasónico, Sensor médico, sensor de vibración, sensor de presión, sensor de compresión, etcétera.
  • En transducer ultrasónico
  • En actuadores Piezoeléctricos como por ejemplo altavoces, motores piezoeléctricos, electrónica láser, impresoras de inyección de tinta (los cristales impulsan la expulsión de tinta del cabezal de impresión al papel), motores diésel, persianas de rayos x
Qué es el efecto de los materiales piezoeléctricos y el efecto piezoeléctrico inverso

El proceso piezoeléctrico se origina cuando se aplica fuerza o presión a un material determinado. El material vibra cuando se le ejerce una fuerza o presión. En este sentido, veamos el comportamiento de los cristales. Estos se polarizan cuando se oprimen, estiran o encrespan. Luego de estar polarizados, crean tensión, creando una proporción directa entre la cantidad de voltaje producido y la cantidad de fuerza aplicada.

Por su parte, el efecto opuesto, también conocido como efecto piezoeléctrico inverso ocurre al aplicar voltaje o fem al material. El material vibra y se desfigura, se pliega o se estira. La periodicidad de vibración es la misma que la continuidad fem.

Para tener mayor comprensión de lo explicado, veamos el siguiente caso:, si se aplica una fem de 50 hertz (ciclos / segundo) a un cristal, también vibrará a 50 ciclos / segundo.

¿Qué materiales piezoeléctricos son más usados en la electrónica?
  • Cuarzo
  • Rubidio
  • Sal de Seignette
  • Cerámicas
  • Cerámica piezoeléctrica
  • Cerámica técnica
Importancia de los materiales piezoeléctricos en la industria

La industria por ser un espacio de producción por naturaleza, se beneficia mucho del efecto piezoeléctrico, ya que los materiales que poseen propiedades piezoeléctricas, como la cerámica y los cristales, son elementos muy efectivos, debido a la capacidad que tienen dichos materiales para producir energías eléctricas y mecánicas. En consecuencia, diferentes empresas adaptan la teoría de los materiales piezoeléctricos para incorporarla en sus procesos de producción, generando con ello, productos y servicios de mayor calidad.