Piezoelectricidad

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

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:

$D=\epsilon E \;$

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:

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

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

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 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

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

Véase también

• Ferroelectricidad

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