Piezoelectricidade

A piezoelectricidade é a capacidade dalgúns cristais de xeraren corrente eléctrica por resposta a unha presión mecánica. O termo deriva da palabra grega piezein, que quere dicir "espremer". O efecto piezoeléctrico é reversíbel, pois os cristais piezoeléctricos, cando están suxeitos a unha voltaxe externa, poden sufrir variacións de forma. A deformación, preto do 0,1% da dimensión orixinal en PZT, ten aplicacións importantes, tales como a produción e detección de sons, xeración de altas-voltaxes e xeración de frecuencia electrónica.

Pick-up ou captador piezoeléctrico aplicado a unha guitarra

Disco piezoeléctrico xera unha diferenza de potencial ao ser deformado

Mecanismo

O efecto piezoeléctrico enténdese como a interacción electromecánica lineal entre a forza mecánica e o estado eléctrico (Forzas de Coulomb) en materiais cristalinos ( cerámica, polímeros).

O efecto piezoeléctrico é un proceso reversible no que os materiais presentan o efecto piezoeléctrico directo (a xeración interna de carga eléctrica resultante dunha forza mecánica aplicada), mais tamén presentan o efecto piezoeléctrico inverso (a xeración interna dunha tensión mecánica resultante dun campo eléctrico aplicado). Por exemplo, os cristais de titanato circonato de chumbo xerarán unha piezoelectricidade que se pode medir cando a súa estrutura estática está deformada en aproximadamente o 0,1% da dimensión inicial. Por outra banda, estes mesmos cristais cambian aproximadamente o 0,1% da súa dimensión estática cando se aplica un campo eléctrico externo ao material. Como exemplo, o efecto piezoeléctrico inverso úsase na produción de ondas ultrasónicas.

Cristais

Usando argumentos referentes á simetría, o efecto piezoeléctrico non existe en materiais que presentan simetría central e, polo tanto, poden polarizarse, é dicir, pode explicarse a piezoelectricidade por asimetría de polarización iónica. Non obstante, elementos puros como selenio (Se) e teluro (Te) tamén presentan a propiedade da piezoelectricidade. Nestes casos, o nesgo eléctrico inducido atribúese á Configuración electrónica, que é alterada pola acción externa.

Considerando as trinta e dúas clases de cristais catalogadas, 21 non son centrosimétricas (non teñen centro de simetría); vinte destes presentan piezoelectricidade directa; dez destes representan as clases de cristal polar, que mostran unha polarización espontánea, sen tensión mecánica debido a un momento dipolar eléctrico permanente. Se o momento dipolar se pode inverter aplicando un campo eléctrico externo, entón considérase o material ferroeléctrico.

Para os cristais polares, para os que se mantén o momento dipolar P diferente de cero sen aplicar unha carga mecánica, o efecto piezoeléctrico maniféstase cambiando a magnitude ou dirección do vector momento dipolar ou as dúas cousas. Para os cristais non polares pero piezoeléctricos, a polarización non nula só se induce coa aplicación dunha carga mecánica. Para eles, pódese imaxinar a tensión para transformar o material dunha clase de cristal non polar (P = 0) a polar, para o cal P ≠ 0.

A maioría dos cristais non teñen propiedades piezoeléctricas. O cristal natural máis importante que ten esta propiedade é o cuarzo. Ademais, debido á facilidade de sintetización, os cristais empregados son cerámicas a base de, por exemplo, titanato de bario ou zirconato de chumbo.

Aplicacións

A cerámica piezoeléctrica úsase para converter os sinais eléctricos en ondas sonoras

O fenómeno piezoeléctrico atópase en aplicacións útiles como a produción e detección de son, xeración de altas tensións, xeración de frecuencias electrónicas, microbalanzas e concentración ultrafina de conxuntos ópticos. Tamén é a base dunha serie de técnicas instrumentais científicas con resolución atómica (microscopía de sonda de barrido) e usos cotiáns como fonte de ignición para chisqueiros eléctricos, micrófonos e as famosas "pastillas" que se usan guitarras acústicas, baixos, violonchelos e outros, que representan unha especie de micrófono. O proxecto máis atrevido; con todo, refírese ao uso de materiais piezoeléctricos en rúas e estradas, onde a presión causada polo movemento de coches pode empregarse para xerar electricidade a un prezo máis barato.

Transformacións que se producen en cada material

Exemplos de transformacións mecánico-eléctricas:

• presión manómetro;
• MIC;
• Chisqueiro eléctrico;
• Alarma antirroubo;
• Agulla do tocadiscos.

Exemplos de transformacións eléctrico-mecánicas:

• Ecografía;
• Nebulizadores;
• Dispositivos eléctricos contra mosquitos;
• Altofalantess;

Sensores piezoeléctricos

Os sensores piezoeléctricos miden certos parámetros físicos, que están en forma de tensión mecánica ou variacións nas cargas eléctricas. Utilízanse para medir a presión cardíaca e rexistrar os latidos do corazón, emitir ou recibir ultrasóns co fin de visualizar os órganos humanos mediante a conversión de enerxía das ondas emitidas polo funcionamento dos órganos que fai vibrar unha folla de material piezoeléctrico. En breve, cando se aplica tensión mecánica, aparece un potencial eléctrico; cando a tensión aplicada é de natureza eléctrica, temos unha deformación física.

O principio de funcionamento dun sensor piezoeléctrico reside no feito de que unha determinada dimensión física, pola acción dunha forza, está deformada. Dependendo do deseño dun sensor, pódense usar diferentes "modos" de polarización no elemento piezoeléctrico (pódense comprimir transversalmente, lonxitudinalmente ou por acción de corte).

A detección de variacións de presión en forma de ondas sonoras é a aplicación máis común do sensor. Por exemplo, o micrófono piezoeléctrico, onde as ondas sonoras baten no material creando unha tensión que varía. Os captadores, pick-up ou pastillas piezoeléctricas funcionan polo mesmo principio nas guitarras electroacústicas.

Os sensores piezoeléctricos máis precisos úsanse con son de alta frecuencia (superior a 20.000 Hz) nos transdutores de ultrasóns para a imaxe médica. Cada transdutor ten unha frecuencia de resonancia natural, de tal xeito que canto menor é o espesor do cristal que o compón, maior será a súa frecuencia de vibración e mellor será o sinal que xerará ou poderá emitir.

Para varias técnicas de detección, o sensor pode actuar como un sensor ou como un captador e é preferentemente chamado transdutor (termo preferido para describir cando o dispositivo funciona con ambas as aplicacións). A maioría dos dispositivos piezoeléctricos teñen esta propiedade de reversibilidade e, polo tanto, os materiais piezoeléctricos chámanse indiscriminadamente transdutores. Os transdutores de ultrasóns, por exemplo, poden proxectar ondas de ultrasóns sobre o corpo humano e recibir a reverberación desta onda, cunha frecuencia diferente á emitida, converténdoa nun sinal eléctrico (tensión).

A carga inducida nun material piezoeléctrico é proporcional á forza aplicada f.

$q=kf$

onde k é unha constante piezoeléctrica, con unidade de Coulomb por Newton.

Os materiais piezoeléctricos teñen unha resistencia moi alta, pero non infinita. Se se aplica unha deflexión ao material, unha corrente infinitesimal fluirá a través dun circuíto, preservando o sinal eléctrico xerado polo piezoeléctrico e a tensión xerada pódese medir ou activar outro sensor piezoeléctrico neste circuíto. Cómpre ter en conta que o sinal decae exponencialmente pola resistencia do material piezo engadido á resistencia externa do circuíto.

Patrón de frecuencia

Os materiais piezoeléctricos úsanse nos reloxos como osciladores.

Véxase tamén

• Estrutura cristalina
• Cristal piezoelétrico
• Transdutor
• Electricidade
• Sensores piezoeléctricos de cerámica