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Piezoelectricidad

Piezoelectricidad
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Piezoelectricidad. 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.

Efecto piezoeléctrico

La célula unitaria de cuarzo (Si–O2) está compuesta por 6 átomos de oxigeno, con dos cargas negativas cada uno, y 3 de silicio con cuatro cargas positivas cada uno.

Muchas sustancias cristalinas poseen propiedades piezoeléctricas, pero solamente algunas se usan a escala industrial; entre éstas, el cuarzo, la Sal de Rochelle, el titanato de bario, el fosfato dihidrogenado de amonio (ADP), etc..

De los cristales piezoeléctricos se cortan láminas que se usan fundamentalmente como patrones (o controles) de frecuencia, o como transductores. Estas láminas, que se cortan siguiendo determinadas reglas, vinculadas a los ejes cristalográficos, se suelen llamar simplemente cristales. Los cristales se usan como patrones de frecuencia, cuando la frecuencia de resonancia mecánica de los mismos es muy estable (por ejemplo, láminas convenientemente cortadas de un cristal de cuarzo); estos cristales al vibrar generan una tensión proporcional a la amplitud de la vibración, y de la misma frecuencia que ésta; y provistos de electrodos convenientes, tienen las características de un circuito resonante de muy alto Q y alta relación L/C, y se utilizan en circuitos filtros, o como elementos de realimentación selectiva en circuitos osciladores, entre otras aplicaciones.

Cristales solubles

Son cristales artificiales que se obtienen por cultivo. Se parte de soluciones saturadas en caliente, y por enfriamiento o evaporación se forman y crecen dentro de la misma, los cristales. El crecimiento debe ser lento si se desean obtener cristales perfectos. Para acelerar el proceso, se puede partir de trozos cortados de cristales grandes que actúan como gérmenes.

De los cristales solubles, el mas corriente es la Sal de Rochelle (Sal de Seignette), tartrato doble de sodio y potasio (K, Na, C4 O6 H2O). Fue obtenido por primera vez, por un farmacéutico de la Rochelle (Francia), de nombre Seignette. Es un cristal ortorrómbico que debe sus propiedades físicas al ácido tartárico del cual proviene.

La sal de Rochelle es estable entre el 35% y el 85% de humedad relativa. Por encima del 85% de humedad el cristal absorbe agua de la atmósfera y se disuelve lentamente. Para aminorar los efectos de la humedad se cubren los cristales con ceras que retardan, más bien, que evitan la deshidratación. La máxima temperatura a que puede estar expuesto este cristal es del orden de 45oC. A los 55oC pierden de forma permanente sus propiedades piezoeléctricas. El corte de los cristales de sal de Rochelle como el de cualquier otro cristal soluble, se efectúa preferentemente, con un dispositivo similar a una sierra sinfín, provista de un sutil hilo de acero cuya principal misión es aportar agua, la que por disolución efectúa el corte, en la zona de contacto del hilo con el cristal, ya que el hilo no debe efectuar ninguna acción abrasiva sobre el cristal . Las laminas de sal de Rochelle pueden montarse para trabajar a la torsión o a la flexión, y según cual sea el montaje, varía la orientación del corte. Después de cortado, y antes de utilizarlo, los cristales se mantienen un cierto tiempo en armarios, a temperaturas controladas. Para poder conectarlo al circuito eléctrico, se pegan a las dos caras de las láminas de cristal, electrodos, consistentes en hojitas de estaño o aluminio. Otros cristales piezoeléctricos solubles son: el tartrato de etilendiamonio, tartrato de potasio, entre otros

Cuarzo

El cuarzo, bióxido de silicio (Si–O2), es una sustancia que cristaliza en el sistema romboédrico, a simetría ternaria, es decir formando prismas hexagonales cerrados en sus extremos por romboides, con un eje óptico Z, tres ejes eléctricos X, paralelos a los lados del hexágono, y tres ejes mecánicos Y, perpendiculares a los lados del hexágono. La estructura cristalográfica del cuarzo permite obtener, mediante cortes, láminas con propiedades piezoeléctricas. Estas láminas (cristales), con sus correspondiente electrodos, tienen las características de un circuito resonante con Q varias veces mayor que el que puede obtenerse con un circuito convencional de constante concentradas; la frecuencia de resonancia es, fundamentalmente, función de las dimensiones del cristal, del montaje y de la orientación del corte; esto último determina además, la actividad, el coeficiente de temperatura, y otras características del cristal. Un cristal de cuarzo tiene varias resonancias, pues las oscilaciones pueden ser, longitudinales, transversales, de corte o de flexión. Dando al cristal, y al soporte del mismo, formas adecuadas, pueden acentuarse un modo de resonancia y atenuarse las llamadas resonancias secundarias.

Cerámicas

El titanato de bario es una cerámica que presenta propiedades piezoeléctricas. Los materiales piezoelectricos de titanato de bario, se fabrican por procesos cerámicos, y se los polariza enfriándolos desde temperaturas superiores a las de Curie, en un campo eléctrico intenso.

Se usan como transductores; su sensibilidad piezoeléctrica es algo inferior a la sal de Rochelle, pero tienen otras ventajas como: gran resistencia mecánica, resistencia a la humedad, y posibilidad de usarse dentro de un rango de temperaturas mayor, (hasta los 70ºC de temperatura; para temperaturas superiores puede usarse el titanato de plomo).

Materiales piezoeléctricos

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, bernilita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados).

Una de las aplicaciones más extendidas de este tipo de cristales son los encendedores electrónicos. 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 utilizados en electrónica

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

Aplicaciones

  • Actuadores.
  • Altavoces de agudos (Tweeters), pequeños altavoces.
  • Cápsula (Pick-up) de tocadiscos.
  • Encendido electrónico de calefons y estufas a gas.
  • Encendedores o mecheros eléctricos.
  • Filtros SAW.
  • Hidrófonos (Geofísica).
  • Líneas de retardo.
  • Motores piezoeléctricos .
  • Sensores de vibración en guitarras eléctricas.
  • Recarga automática de baterías para teléfonos móviles y computadoras portátiles.
  • Reguladores de presión proporcional neumáticos.
  • Reloj de cuarzo.
  • 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

Fuentes

  • CADY, W. G.; Piezoelectricity: An Introduction to the Theory and Applications of Electromechanical Phenomena in Crystals, Dover Press, 1964.
  • JAFFE, B.; Piezoelectric Ceramics, Academic Press, 1971.
  • Piezoelectric Ceramic for Sonar Transducers (Hydrophones & Projectors) Military Standard US DOD MIL STD 1376 A (SH) (1984).
  • PEREIRA AHA e VENET M; Materiais e dispositivos piezoelétricos: www.atcp.com.br,ATCP do Brasil, São Carlos-SP Brasil, 2004. Estructura Perovskita (a) centrossimétrica y (b) no centrossimétrica. Subdivisiones de los materiales piezoeléctricos “Hard” y “Soft” de cuerdo con la norma americana DOD-STD-1376A (SH). Histéresis piezoeléctrica. Intervalo de
propriedades y clasificaciones de acuerdo con la norma americana DOD-STD-1376A (SH).