Piezoelectricidad

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

[editar] Clases de cristales

Dentro de los treinta y dos tipos cristalográficos existen veintiuno que no tienen un centro de simetría, y de estos, unos veinte 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 critalográficas 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.

[editar] Ecuaciones de la piezoelectricidad

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

$D=\epsilon E \;$

donde D es el desplazamiento 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:

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

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

[editar] Historia

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

[editar] Aplicaciones

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 corriente eléctrica capaz de crear un arco voltaico o chispa que encenderá nuestro 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. Hemos 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.

[editar] Materiales

Materiales utilizados en electrónica:

Cuarzo
Rubidio
Sal de Seignette
Cerámicas

[editar] Aplicaciones

Sensores
Actuadores
Reloj de cuarzo
Filtros SAW
Líneas de retardo
Cápsula (Pick-up) de tocadiscos
Motores piezoelectricos
Transductores ultrasónicos
Altavoces de agudos (Tweeters), pequeños altavoces.

[editar] Véase también

Ferroelectricidad

[editar] Enlaces externos

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Categoría: Electricidad

Piezoelectricidad

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Tabla de contenidos

[editar] Clases de cristales

[editar] Ecuaciones de la piezoelectricidad

[editar] Historia

[editar] Aplicaciones

[editar] Materiales

[editar] Aplicaciones

[editar] Véase también

[editar] Enlaces externos

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