Cómo funciona el elemento piezoeléctrico y qué es el efecto piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico fue descubierto a finales del siglo XIX por los hermanos franceses Curie. En aquella época, aún era demasiado pronto para hablar de la aplicación práctica del fenómeno descubierto, pero hoy los elementos piezoeléctricos se utilizan ampliamente tanto en la tecnología como en la vida cotidiana.

La esencia del efecto piezoeléctrico

Conocidos físicos descubrieron que cuando ciertos cristales (cristal de roca, turmalina, etc.) se deforman en sus facetas surgen cargas eléctricas. La diferencia de potencial era, sin embargo, pequeña, pero era claramente detectable por los dispositivos entonces disponibles y conectando las zonas con cargas polares opuestas mediante conductores se podía recibir corriente eléctrica. El fenómeno se registró sólo en la dinámica, en el momento de la contracción o del estiramiento. La deformación estática no produjo el efecto piezoeléctrico.

Pronto se teorizó y se descubrió en la práctica el efecto contrario: cuando se aplicaba un voltaje, el cristal se deformaba. Resultó que los dos fenómenos están interrelacionados: si una sustancia presenta un efecto piezoeléctrico directo, también presenta un efecto inverso, y viceversa.

El fenómeno se observa en sustancias con una red cristalina anisotrópica (que tienen diferentes propiedades físicas según la dirección) con suficiente asimetría, así como en algunas estructuras policristalinas.

En cualquier sólido, las fuerzas externas aplicadas producen deformación y tensiones mecánicas, y en las sustancias con efecto piezoeléctrico la polarización de las cargas, por lo que la polarización depende de la dirección de la fuerza aplicada. Cuando se invierte el sentido de la acción, cambian tanto la dirección de la polarización como la polaridad de las cargas. La dependencia de la polarización con respecto al esfuerzo mecánico es lineal y se describe mediante la expresión P=dt, donde t es el esfuerzo mecánico y d es un coeficiente denominado módulo piezoeléctrico (piezomódulo).

Un fenómeno similar ocurre con el efecto piezoeléctrico inverso. Cuando cambia la dirección del campo eléctrico aplicado, cambia la dirección de la deformación. Aquí la dependencia también es lineal: r=dE, donde E es la intensidad del campo eléctrico y r es la deformación. El coeficiente d es el mismo para el efecto piezoeléctrico delantero y el inverso en todas las sustancias.

De hecho, estas ecuaciones son sólo estimaciones. Las correlaciones reales son mucho más complejas y están determinadas por la dirección de las fuerzas en relación con los ejes del cristal.

Sustancias con efecto piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico se descubrió por primera vez en los cristales de roca (cuarzo). Hoy en día este material es muy común en la fabricación de elementos piezoeléctricos, pero no sólo se utilizan materiales naturales en la producción.

Muchos elementos piezoeléctricos se basan en materiales con la fórmula ABO₃como el BaTiO₃PbTiO₃. Estos materiales tienen una estructura policristalina (formada por muchos cristales) y deben ser polarizados por un campo eléctrico externo para que puedan mostrar el efecto piezoeléctrico.

Existen tecnologías para producir piezoeléctricos de película (fluoruro de polivinilideno, etc.). Para darles las propiedades necesarias, también es necesario polarizarlos en un campo eléctrico durante mucho tiempo. La ventaja de estos materiales es su escaso grosor.

Propiedades y características de los materiales con efecto piezoeléctrico

Como la polarización sólo tiene lugar durante la deformación elástica, una característica importante de los piezomateriales es su capacidad de cambiar de forma bajo la acción de fuerzas externas. El valor de esta capacidad viene determinado por la conformidad elástica (o rigidez elástica).

Los cristales con efecto piezoeléctrico son muy elásticos: vuelven a su forma original cuando se elimina la fuerza (o tensión externa).

Los cristales piezoeléctricos también tienen una frecuencia de resonancia mecánica intrínseca. Si se obliga al cristal a vibrar a esta frecuencia, la amplitud es especialmente grande.

 

Dado que no sólo los cristales enteros exhiben el efecto piezoeléctrico, sino también los cristales que se cortan bajo ciertas condiciones, es posible producir piezas piezoeléctricas con resonancia a diferentes frecuencias, dependiendo de las dimensiones geométricas y la dirección de corte.

Las propiedades vibratorias de los materiales piezoeléctricos también se caracterizan por su factor de calidad mecánica. Indica cuántas veces aumenta la amplitud de la vibración en la frecuencia de resonancia para una fuerza aplicada igual.

Existe una clara dependencia de las propiedades piezoeléctricas con respecto a la temperatura, que debe tenerse en cuenta al utilizar los cristales. Esta dependencia se caracteriza por los coeficientes:

• el coeficiente de temperatura de la frecuencia de resonancia indica cuánto desaparece la resonancia cuando se calienta/enfría el cristal;
• El coeficiente de dilatación por temperatura indica cuánto cambian las dimensiones lineales de la placa piezoeléctrica con la temperatura.

A cierta temperatura, el piezocristal pierde sus propiedades. Este límite se denomina temperatura de Curie. Este límite es individual para cada material. Para el cuarzo, por ejemplo, es de +573 °C.

Aplicación práctica del efecto piezoeléctrico

La aplicación más conocida de las células piezoeléctricas es como elemento de encendido. El efecto piezoeléctrico se utiliza en los encendedores de bolsillo o en los encendedores de cocina para cocinas de gas. Cuando se presiona el cristal, se crea una diferencia de potencial y aparece una chispa en el entrehierro.

Esto no agota el campo de aplicación de las células piezoeléctricas. Los cristales con el mismo efecto pueden utilizarse como galgas extensométricas, pero esta aplicación está limitada por la propiedad del efecto piezoeléctrico de ser dinámico - si el cambio se ha detenido, la señal ya no se genera.

Los piezocristales pueden utilizarse como micrófono: se generan señales eléctricas cuando se aplican ondas acústicas. El efecto piezoeléctrico inverso también permite (a veces simultáneamente) utilizar estos elementos como emisores de sonido. Cuando se aplica una señal eléctrica al cristal, el elemento piezoeléctrico comienza a generar ondas acústicas.

Estos emisores se utilizan ampliamente para generar ondas ultrasónicas, sobre todo en la tecnología médica. En en También se pueden utilizar las propiedades de resonancia de la placa. Se puede utilizar como filtro acústico, emitiendo ondas sólo de su propia frecuencia. Otra opción es utilizar un elemento piezoeléctrico en un generador de sonido (sirena, detector, etc.) como elemento que retiene la frecuencia y emite el sonido. En este caso, el sonido se generará siempre en la frecuencia de resonancia y se podrá obtener el máximo volumen con poco aporte de energía.

Las propiedades de resonancia se utilizan para estabilizar las frecuencias de los osciladores que operan en la gama de radiofrecuencias. Las placas de cuarzo actúan como circuitos oscilantes de gran estabilidad y calidad en los circuitos de retención de frecuencia.

Hasta ahora, existen fantásticos proyectos para convertir la energía de la deformación elástica en energía eléctrica a escala industrial. Se puede utilizar la deformación de los pavimentos por el peso de los peatones o los coches, por ejemplo, para iluminar tramos de autopistas. La energía de deformación de las alas de los aviones podría utilizarse para alimentar la red de a bordo de un avión. Su uso se ve limitado por la insuficiente eficacia de las células piezoeléctricas, pero ya se han construido instalaciones prototipo que resultan prometedoras para seguir mejorando.

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