uEn 1880 fue
descubierto el efecto piezoeléctrico por Pierre Curie y su hermano
Paul-Jacques.
uDescubrieron
que la carga es aproximadamente proporcional al esfuerzo mecánico aplicado
(fuerza por unidad de área).
uEl efecto
recibió su nombre en 1881 de Wilhelm Hankel.
u En 1921
Walter Cady descubrió que
un resonador de cuarzo podía usarse para estabilizar osciladores electrónicos.
uLos materiales
piezoeléctricos exhiben efectos directos e inversos:
uEn el efecto
piezoeléctrico directo, la compresión y la expansión de un material genera
cargas eléctricas opuestas sobre las caras respectivas de la muestra. En este
caso los cristales funcionan como sensores.
uEn el efecto
piezoeléctrico inverso, la aplicación de un voltaje a un material
piezoeléctrico produce una cierta deformación. En este caso los piezoeléctricos
se comportan como actuadores.
uLas ondas
mecánicas generadas por los piezoeléctricos también se denominan ondas
acústicas.
uLos sensores
de onda acústica piezoeléctrica aplican un campo eléctrico oscilante para crear
una onda mecánica, que se propaga a través del sustrato y luego se convierte de
nuevo en un campo eléctrico para la medición.
uLos actuadores
piezoeléctricos siguen al músculo de los mamíferos como el principio del
actuador más omnipresente en la naturaleza.
uLa
piezoelectricidad no debe confundirse con la ferroelectricidad (descubierta
en 1920 por J. Valasek.).
uLa ferroelectricidad es propiedad
de un momento dipolo eléctrico espontáneo o inducido.
uTodos los
materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos, pero lo contrario no siempre es
cierto.
uLa piezoelectricidad se relaciona con la
estructura iónica cristalina; La ferroelectricidad se
relaciona con el espín electrónico.
uPor
encima de la llamada temperatura de Curie, se pierde la polarización espontánea
de un ferroeléctrico.
uConsecuencias
indirectas de los materiales ferroeléctricos:
upropiedades
dieléctricas, piezoeléctricas, piroeléctricas y electroópticas.
uEl mayor uso
de materiales ferroeléctricos es como dieléctricos en condensadores,
ferroeléctricos para películas delgadas para memorias no volátiles, materiales
piezoeléctricos para ultrasonido e imaginería médica y actuadores, y materiales
electroópticos para almacenamiento de datos y pantallas.
uLa electroestricción: La tensión
es proporcional al cuadrado del campo eléctrico. Es una propiedad similar al
efecto piezoeléctrico en que implica una deformación mecánica de un cuerpo
debida a la polarización eléctrica inducida por un campo eléctrico aplicado.
Esta deformación es invariante por inversión de la dirección de la intensidad
del campo eléctrico.
Materiales piezoelectricos
Materiales piezoeléctricos
biológicos:
Tendón
Madera
Seda
Esmalte
Dentina
Colágeno
Cristales naturales:
Cuarzo.
Sacarosa (azúcar de mesa)
Rochelle sal: Produce un gran voltaje con
compresión; utilizado en los primeros micrófonos de cristal.
Topacio
Turmalina
Berlinita (AlPO4): Un mineral de fosfato
raro estructuralmente idéntico al cuarzo.
Cristales hechos por el hombre:
Ortofosfato de
galio (GaPO4), un análogo de cuarzo.
Langasite
(La3Ga5SiO14), un análogo de cuarzo.
Cerámica piezoeléctrica:
Titanato de bario (BaTiO3). La primera
cerámica piezoeléctrica descubierta.
Titanato de plomo (PbTiO3)
Titanato de circonato de
plomo (PZT).
Actualmente la cerámica piezoeléctrica más utilizada.
Niobato de
potasio (KNbO3)
Niobato de
litio (LiNbO3)
Talalato de
litio (LiTaO3)
Tungstato de
sodio (Na2WO4)
Piezocerámicas
sin plomo:
Niobato de
sodio y potasio (NaKNb).
Este material tiene propiedades similares a PZT.
Ferrita de bismuto (BiFeO3)
Niobato de
sodio (NaNbO3)
Cuarzo: bióxido de silicio (Si–O2)
uLa 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.
uCuando se
comprime se produce una separación de cargas eléctricas que genera a su vez una
diferencia de tensión y, de manera recíproca, reacciona mecánicamente
cuando se somete a un cierto voltaje.
Polimeros espumados
uEl material
empleado se conoce con el nombre de poliolefina (que puede ser en base etileno
o en base propileno).
uLaporosidad interna le
confiere ciertas características mecánicas, del mismo modo se puede utilizar
para retener dipolos eléctricos en su interior. Dichos dipolos se le pueden
introducir mediante un alto campo eléctrico.
uDe esta
manera, se producen micro descargas entre la parte superior e inferior de las
porosidades, así como una reagrupación de cargas en la interfaz de aire
polímero, por la cual se genera un macro dipolo en la totalidad de cada una de
las cavidades.
Los aerogeles de aluminosilicato piezoeléctrico
uLos aerogeles de aluminosilicato
piezoeléctrico de baja densidad se prepararon mediante tecnología sol-gel. Con
el fin de reforzar estos aerosoles, el componente inorgánico se mezcla con
polímeros orgánicos (ácido poliacrílico, acetato de polivinilo y polidimetilsiloxano) antes de la
gelificación.
uLa
piezoelectricidad de los geles compuestos varía de acuerdo con el tipo y el
contenido de los polímeros orgánicos.
uEl aerogel que contiene
acetato de polivinilo muestra una piezoelectricidad insignificante.
uEl uso de polidimetilsiloxano disminuye la
piezoelectricidad en un 50% y el ácido poliacrílico la aumenta en un 100%.
uLa estructura
y la incorporación de Al tienen fuertes efectos sobre la piezoelectricidad.
Cuanto mayor sea la cantidad de átomos de Al unidos en la red de sílice, mayor
será la intensidad de la piezoelectricidad
