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PIEZOELECTRICIDAD

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PIEZOELECTRICIDAD.
Es un fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones
mecánicas, adquieren en su masa una polarización eléctrica, apareciendo una diferencia de
potencial y cargas eléctricas en su superficie. Los cristales de cuarzo se comportan de forma
similar a los tanques LC, y también se les conoce como Resonador de cristal, con la ventaja de
poder generar frecuencias de oscilación estables e insensibles. [1]
Este fenómeno también ocurre a la inversa: 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.
Grupos de material piezoeléctrico
Existen dos grupos de materiales:
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Los de naturaleza piezoeléctrica primigenia: cuarzo, turmalina, etcétera.
Los denominados ferroeléctricos: tantalato de litio, nitrato de litio, berlinita, en forma de
materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares, que tras ser sometidos a
polarización adquieren propiedades piezoeléctricas, ya como microcristales orientados.
EFECTO PIEZOELÉCTRICO.
Loos materiales piezoeléctricos pueden convertir la tensión mecánica en electricidad, y la
electricidad en vibraciones mecánicas. El cuarzo es un ejemplo de un cristal piezoeléctrico natural.
Los cristales de cuarzo están hechos de átomos de silicio y oxígeno en un patrón repetitivo. En el
cuarzo, los átomos se silicio tienen carga positiva y los átomos de oxígeno tienen una carga
negativa. Normalmente, cuando el cristal no está bajo ningún tipo de estrés externo, las cargas se
dispersan uviformemente en las moléculas a través del cristal. Pero cuando el cuarzo se estira o
exprime, el orden de los átomos cambia ligeramente. Este cambio causa que las cargas negativas
se acumulen en un lado y las cargas positivas se acumulen en el lado opuesto. Cuando haces un
circuito que conecta un extremo del cristal con el otro, puedes utilizar esta diferencia de potencial
para producir corriente. Entre más aprietas el cristal más fuerte será la corriente eléctrica. Por el
contrario, enviar una corriente eléctrica a través del cristal cambia su forma. [2]
¿Qué son los materiales piezoeléctricos?
Los materiales piezoeléctricos son materiales que tienen la capacidad de concebir carga eléctrica
interna a partir de la tensión mecánica aplicada.
Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que escasean de centro de
simetría. Una compresión o un cizallamiento provocan segregación de los centros de gravedad de
las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas. Por tanto, en la masa surgen dipolos
elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas brotan cargas de signo opuesto.
Algunos de estos materiales lo podemos conseguir de forma natural. Es decir, son proporcionados
por la naturaleza e incluyen hueso, cristales, ciertas cerámicas, adn, esmalte, sedadentina y
muchos más.
Principio de funcionamiento de los materiales piezoeléctricos
Como lo mencionamos arriba, la piezoelectricidad se caracteriza por ser una sustancia para formar
electricidad si se le aplica una tensión como apretar, doblar o torcer.
Esto ocurre a través de un proceso que es el siguiente
Cuando se coloca bajo tensión, el cristal piezoeléctrico produce una polarización, P, ajustada a la
tensión que lo produjo.
La fórmula central de la piezoelectricidad es p = d × tensión, donde d es el coeficiente
piezoeléctrico, un elemento único para cada tipo de material piezoeléctrico. El coeficiente
piezoeléctrico para el cuarzo es 3 × 10-12. El coeficiente piezoeléctrico para el titanato de circonato
de plomo (pzt) es 3 × 10-10.
En la red cristalina se originan pequeños desplazamientos de iones que crean la polarización
observada en la piezoelectricidad. Es importante resaltar que este fenómeno solo presenta en
cristales que no tienen un centro de simetría
Clasificación de los materiales piezoeléctricos
Podemos contar con dos grupos de materiales que describiremos a continuación:
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Los de naturaleza piezoeléctrica primigenia: cuarzo, turmalina, entre otros
Los conocidos como ferroeléctricos: tantalato de litio, nitrato de litio, berlinita, en forma
de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares, que al ser sometidos a
polarización obtienen características piezoeléctricas.
Dispositivos conformados con materiales piezoeléctricos
Los materiales piezoeléctricos son usados en las industrias en distintos procesos que dan como
resultados diversos productos como, por ejemplo, los mencionados a continuación.
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Dispositivos médicos
Telecomunicaciones
Automotor
Tecnología de la Información (TI)
Fuentes de energía de alto voltaje
Encendedores de cigarrillos eléctricos
Parrillas de gas o estufas y quemadores de gas.
Transformador piezoeléctrico. En esta aplicación, los materiales son usados como un
multiplicador de voltaje de CA en lámparas fluorescentes de cátodo frío.
Sensores Piezoeléctricos tales como el sensor ultrasónico, Sensor médico, sensor de
vibración, sensor de presión, sensor de compresión, etcétera.
En transducer ultrasónico
En actuadores Piezoeléctricos como por ejemplo altavoces, motores piezoeléctricos,
electrónica láser, impresoras de inyección de tinta (los cristales impulsan la expulsión de
tinta del cabezal de impresión al papel), motores diésel, persianas de rayos x
¿Qué es el efecto de los materiales piezoeléctricos y el efecto piezoeléctrico inverso?
El proceso piezoeléctrico se origina cuando se aplica fuerza o presión a un material determinado.
El material vibra cuando se le ejerce una fuerza o presión. En este sentido, veamos el
comportamiento de los cristales. Estos se polarizan cuando se oprimen, estiran o encrespan. Luego
de estar polarizados, crean tensión, creando una proporción directa entre la cantidad de voltaje
producido y la cantidad de fuerza aplicada.
Por su parte, el efecto opuesto, también conocido como efecto piezoeléctrico inverso ocurre al
aplicar voltaje o fem al material. El material vibra y se desfigura, se pliega o se estira. La
periodicidad de vibración es la misma que la continuidad fem.
Para tener mayor comprensión de lo explicado, veamos el siguiente caso:, si se aplica una fem de
50 hertz (ciclos / segundo) a un cristal, también vibrará a 50 ciclos / segundo.
¿Qué materiales piezoeléctricos son más usados en la electrónica?
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Cuarzo
Rubidio
Sal de Seignette
Cerámicas
Cerámica piezoeléctrica
Cerámica técnica
Importancia de los materiales piezoeléctricos en la industria
La industria por ser un espacio de producción por naturaleza, se beneficia mucho del efecto
piezoeléctrico, ya que los materiales que poseen propiedades piezoeléctricas, como la cerámica y
los cristales, son elementos muy efectivos, debido a la capacidad que tienen dichos materiales
para producir energías eléctricas y mecánicas. En consecuencia, diferentes empresas adaptan la
teoría de los materiales piezoeléctricos para incorporarla en sus procesos de producción,
generando con ello, productos y servicios de mayor calidad
REFERENCIAS
[1] https://es.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricidad
[2]
https://www.nisenet.org/sites/default/files/catalog/uploads/spanish/12194/electricsqueeze_imag
es_13nov13_sp.pdf
[3] https://industriasgsl.com/blogs/automatizacion/materiales-piezoelectricos
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