El efecto piezoeléctrico es el efecto de polarización de un dieléctrico bajo la influencia de factores mecánicos.
Con el efecto piezoeléctrico directo, deformaciónde una muestra piezoeléctrica provoca la aparición de una tensión eléctrica entre las superficies de un sólido deformable; en el caso del efecto piezoeléctrico inverso, la aplicación de una tensión al cuerpo provoca su deformación.
¿Qué son los materiales piezoeléctricos?
Los materiales piezoeléctricos son materiales que tienen la capacidad de generar una carga eléctrica interna a partir de una tensión mecánica aplicada.
Varias sustancias de origen natural presentan un efecto piezoeléctrico. Éstas incluyen:
- Hueso,
- Cristales
- Ciertas cerámicas,
- ADN
- Esmalte,
- Seda,
- Dentina y más.
Materiales que demuestranel efecto piezoeléctrico también exhibe el efecto piezoeléctrico inverso (también llamado efecto piezoeléctrico inverso o inverso). El efecto piezoeléctrico inverso es la generación interna de tensión mecánica en respuesta a un campo eléctrico aplicado.
Historia de los materiales piezoeléctricos
Los cristales fueron el primer material utilizadoen los primeros experimentos con piezoelectricidad. Los hermanos Curie, Pierre y Jacques, probaron por primera vez el efecto piezoeléctrico directo en 1880. Los científicos han ampliado su conocimiento práctico de las estructuras cristalinas y los materiales piroeléctricos (materiales que generan una carga eléctrica en respuesta a los cambios de temperatura).
Midieron las cargas superficiales de los siguientes cristales específicos, a saber:
- Caña de azucar
- Turmalina
- Cuarzo,
- Topacio,
- Sal de Rochelle (sal de sodio y potasio del ácido tartárico),
Como resultado, fue el cuarzo y la sal de Rochelle los que demostraron los efectos piezoeléctricos más altos.
Sin embargo, los hermanos Curie no predijeron lo contrario.Efecto piezoeléctrico. Gabriel Lippmann lo derivó matemáticamente en 1881. Curie luego confirmó el efecto y proporcionó evidencia cuantitativa de la reversibilidad de las deformaciones eléctricas, elásticas y mecánicas en los cristales piezoeléctricos.
En 1910, había 20 clases de cristales naturales, enen los que se observa el efecto piezoeléctrico fueron completamente determinados y publicados en Lehrbuch Der Kristallphysik - «Textbook of Crystal Physics». Pero siguió siendo un área de la física poco conocida y de alta tecnología sin aplicaciones tecnológicas o comerciales aparentes.
Hasta que llegó la guerra.
Guerra Mundial
Primera aplicación tecnológicaSe utilizó material piezoeléctrico como detector submarino ultrasónico. El detector de plástico está formado por un transductor (un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro) y un hidrófono. El transductor está hecho de finos cristales de cuarzo pegados entre dos placas de acero.
El gran éxito del detector ultrasónicoLos submarinos durante la guerra estimularon el desarrollo tecnológico intensivo de dispositivos piezoeléctricos. Después de la Primera Guerra Mundial, se utilizaron cerámicas piezoeléctricas en cartuchos de fonógrafo.
La segunda Guerra Mundial
El uso de materiales piezoeléctricos avanzó significativamente durante la Segunda Guerra Mundial debido a investigaciones independientes de Japón, la URSS y los Estados Unidos.
En particular, los avances en la comprensión de la relaciónentre la estructura cristalina y la actividad electromecánica, junto con otros avances en la investigación, han cambiado por completo el enfoque de la tecnología piezoeléctrica. Por primera vez, los ingenieros pudieron manipular materiales piezoeléctricos para una aplicación de dispositivo específica, en lugar de observar las propiedades de los materiales y luego buscar usos adecuados de las propiedades observadas.
Este desarrollo permitió la creación de muchosAplicaciones relacionadas con la guerra de materiales piezoeléctricos como micrófonos ultrasensibles, dispositivos de sonar de alta potencia, boyas de sonar (pequeñas boyas con la capacidad de escuchar un hidrófono y transmisión de radio para monitorear el movimiento de embarcaciones oceánicas) y sistemas de encendido piezo para encendido monocilíndrico.
Cristales piezoeléctricos: ¿qué son?
A continuación se muestra una lista incompletaCristales piezoeléctricos con algunas breves descripciones de su uso. Más adelante discutiremos algunas aplicaciones específicas de los materiales piezoeléctricos más utilizados.
Cristales de origen natural:
- El cuarzo es un cristal estable que se utiliza en cristales de reloj y cristales de referencia de frecuencia para transmisores de radio.
- Sacarosa (azúcar de mesa)
- Sal de Rochelle: produce mucha tensión con la compresión; utilizado en los primeros micrófonos de cristal.
- Topacio,
- Turmalina
- Berlinita (AlPO₄.) — un raro mineral de fosfato estructuralmente idéntico al cuarzo.
Cristales tecnogénicos- Ortofosfato de galio (GaPO₄), un análogo del cuarzo y langasita, un análogo del cuarzo.
Cerámica piezoeléctrica:
- Titanato de bario (BaTiO₃). Se descubrió la primera cerámica piezoeléctrica.
- Titanato de plomo (PbTiO₃)
- Titanato de circonato de plomo (PZT)
- Niobato de potasio (KNbO₃)
- Niobato de litio (LiNbO₃)
- Tantalato de litio (LiTaO₃)
- Tungstato de sodio (Na₂WO₄)
Cerámicas piezoeléctricas sin plomo:
Los siguientes materiales se desarrollaron en respuesta a preocupaciones sobre los efectos nocivos del plomo en el medio ambiente.
- Niobato de sodio y potasio (NaKNb). Este material tiene propiedades similares al PZT.
- Ferrita de bismuto (BiFeO₃)
- Niobato de sodio (NaNbO₃)
Materiales piezoeléctricos biológicos:
- Tendón
- Madera
- Seda
- Esmalte
- Dentina
- Colágeno
Aplicaciones de materiales piezoeléctricos
Los materiales piezoeléctricos se utilizan en muchas industrias, que incluyen:
- Producción
- Equipo medico
- Telecomunicaciones
- Industria automotriz
- Tecnología de la Información (TI)
Fuentes de alimentación de alto voltaje:
- Encendedores eléctricos.Cuando presiona el botón del encendedor, el botón hace que un pequeño martillo con resorte golpee el cristal piezoeléctrico, creando una corriente de alto voltaje que fluye a través del espacio para calentar y encender el gas.
- Parrillas o estufas de gas y quemadores de gas. Funcionan de la misma manera que los encendedores, pero a mayor escala.
- Transductor piezoeléctrico. Se utiliza como multiplicador de voltaje CA en lámparas fluorescentes de cátodo frío.
Sensores piezoeléctricos
Los transductores ultrasónicos se utilizan enImágenes médicas diarias. El transductor es un dispositivo piezoeléctrico que actúa como sensor y como actuador. Los transductores ultrasónicos contienen un elemento piezoeléctrico que convierte una señal eléctrica en vibración mecánica (modo de transmisión o componentes de accionamiento) y la vibración mecánica en una señal eléctrica (modo de recepción o componente de sensor).
El elemento piezoeléctrico se corta típicamente a la mitad de la longitud de onda deseada del transductor ultrasónico.
Otros tipos de sensores piezoeléctricos incluyen:
- Micrófonos piezoeléctricos.
- Pastillas piezoeléctricas para guitarras electroacústicas.
- Ondas de sonar. Las ondas sonoras son generadas y recibidas por un elemento piezoeléctrico.
- Pads de batería electrónica. Los elementos detectan el impacto de las baquetas de los bateristas en las almohadillas.
- Aceleromiografía médica.Esto se usa cuando una persona está bajo anestesia y se le inyectan relajantes musculares. El elemento piezoeléctrico del aceleromiógrafo determina la fuerza que se produce en el músculo después de la estimulación nerviosa.
Actuadores piezoeléctricos
Una de las ventajas de los actuadores piezoeléctricos.es que el alto voltaje del campo eléctrico corresponde a diminutos cambios micrométricos en el ancho del cristal piezoeléctrico. Estas micromasas hacen que los cristales piezoeléctricos sean útiles como actuadores cuando se requiere un posicionamiento preciso de objetos diminutos, como en los siguientes dispositivos:
- Altavoces
- Motores piezoeléctricos
- Electrónica láser
- Impresoras de inyección de tinta (los cristales controlan la liberación de tinta del cabezal de impresión al papel)
- Motores diesel
- Persianas de rayos X
Materiales inteligentes
Los materiales inteligentes son una amplia clase de materiales,cuyas propiedades pueden modificarse de forma controlada por influencias externas como pH, temperatura, productos químicos, campo magnético o eléctrico aplicado o voltaje.
Los materiales piezoeléctricos cumplen con estedefinición, porque un voltaje aplicado crea un voltaje en el material piezoeléctrico y, a la inversa, la aplicación de un voltaje externo también produce electricidad en el material.
Materiales intelectuales adicionalesincluyen aleaciones con memoria de forma, materiales halocrómicos, materiales magnetocalóricos, polímeros termosensibles, materiales fotovoltaicos y muchos otros.
¿Qué depara el futuro para los materiales piezoeléctricos?
Entonces, ¿qué sigue para los materiales piezoeléctricos?¿futuro? Es una idea interesante que los materiales de nanofibras piezoeléctricas puedan utilizarse comercialmente como fuente de energía. Dependen de la fuerza mecánica para generar electricidad. Por tanto, si los colocas, por ejemplo, sobre una pantalla táctil, pueden actuar como cargador del dispositivo. Por supuesto, parte del poder creado se destina a realizar la acción en la pantalla táctil. Pero existe la opción de crear recursos adicionales.
Los dos materiales más populares utilizados para los nanogeneradores son los polímeros.fluoruro de polivinilideno(PVDF)y cerámica Titanato de circonato de plomo (PZT). PVDF demuestra mayorpropiedades piezoeléctricas que otros polímeros. Esto se debe a su estructura cristalina polar. El PZT, por otro lado, también tiene una estructura cristalina y es capaz de generar voltajes mucho más altos que otros materiales piezoeléctricos de recolección de energía. También es mecánicamente más fuerte, especialmente en forma de nanocables.
El diseñador industrial Jung-Hoon Kimhas ideóla brillante idea de usar piezoelectricidad para impulsar un automóvil. Estos dispositivos, que cargan baterías, reciben energía de las vibraciones que ocurren cuando el automóvil está en movimiento. Esta tecnología no produce emisiones y no depende de combustibles fósiles, lo que la hace amigable con el medio ambiente.
Otro diseñador industrial, Paul Frigu,desarrolló un teléfono móvil que se puede cargar solo! El modelo Zeri utiliza sistemas termoeléctricos y piezoeléctricos. El primero usa cambios de temperatura para generar carga; el segundo son las vibraciones del aire. Estas dos características hacen que su teléfono inteligente sea 100% ecológico.
El mexicano Alberto Villarreal creó un par de zapatos,que ilumina el camino a su dueño. Usando la energía cinética de caminar o correr, los polímeros electroluminiscentes pueden producir luz. Estos efectos serán útiles para los corredores.
La próxima tecnología innovadora - en el sectortabletas. El uso de la entrada de pantalla táctil regenerativa puede ser la forma preferida de cargar estos dispositivos populares. En promedio (estadísticamente), la persona promedio toca la pantalla táctil 1,000 veces al día. Esta es más que suficiente energía para alimentar la tableta.
Finalmente, quizás el más interesanteAparato piezoeléctrico - ducha. Diseñado por ingenieros finlandeses, mexicanos y alemanes, contiene muchos nanocables diminutos. Estos nanocables utilizan la energía del paso del agua para generar electricidad, que se utiliza para calentar el agua. El dispositivo también tiene paneles táctiles que monitorean la cantidad de agua utilizada y cuentan el tiempo que el usuario pasa en la ducha. También hay un regulador que controla la presión del agua.
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El dieléctrico es una sustancia relativamente malacorriente eléctrica conductora. Las propiedades eléctricas de los dieléctricos están determinadas por su capacidad para polarizar en un campo eléctrico externo. El término fue introducido en la ciencia por el físico inglés M. Faraday. La concentración de portadores de carga libre en el dieléctrico no supera los 10⁸ cm⁻³.