Piezoelectricidad

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Trabajo Especial
Cátedra de Química General para
Ingeniería
1er semestre 2001
Tema:
Piezoelectricidad
Alumnos:
Evangelista, Carolina (#50.851)
Jáuregui Lorda, Esteban (#50.847)
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Piezoelectricidad
En el año 1880 los hermanos Curie descubrieron un efecto sumamente interesante: un
cristal, al ser sometido a una presión mecánica a lo largo de un eje determinado desarrollaba una
diferencia de potencial entre sus caras.
Al año siguiente comprobaron experimentalmente su efecto recíproco: frente a campos
eléctricos externos, estos cristales evidenciaban una deformación mecánica. Esta propiedad fue
llamada piezoelectricidad, y a dichos materiales piezoeléctricos.
Para explicar este fenómeno debemos volcar nuestra atención en la estructura cristalina de
estos materiales.
Como sabemos, las moléculas pueden ser polares o no polares, aunque la suma de los
momentos internos del cuerpo sea cero. Algunos materiales no solo están compuestos por
moléculas polares, sino que éstas están alineadas en lo que se conoce como dominios.
Así, el objeto presenta un momento dipolar neto observable y permanente. Estos objetos son
llamados electretos y son el equivalente eléctrico de un imán. Sin embargo no son tan útiles pues
las cargas del aire anulan rápidamente a las cargas de polarización y hacen que no se observen
campos eléctricos resultantes.
Analicemos el por qué de estos momentos dipolares moleculares. En particular nos interesa
la forma de la celda unidad de virtualmente todos los piezoeléctricos: la pirovskita.
Esta celda consta de 3 elementos, y es característica de compuestos de la forma ABO3;
donde A y B son cationes cuya suma de estados de oxidación es +6, y O oxígeno.
A es un catión de tamaño comparable al oxigeno, y ambos forman un empaquetamiento
cúbico centrado en las caras (A en los vértices y O en las caras).
B es un catión pequeño que ocupa el hueco octahédrico limitado por los oxígenos.
Estructura de Pirovskita
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Esta estructura está generalmente distorsionada, presentando a B desplazado, fuera del
centro exacto del cubo. Se dice que esta celda, así distorsionada, no tiene "centro de inversión": al
ser rotada 180º no se obtiene la misma configuración.
Estructura de Pirovskita sin centro de inversión
En este caso, el centro de cargas negativas no coincide con el centro de cargas positivas y la
celda unidad presenta un momento dipolar permanente. Si los momentos dipolares en el material
predominan en un sentido, el material será un electreto. Si, en cambio, están dispuestos al azar, el
material puede prepararse alineando dichos momentos dipolares moleculares mediante campos
eléctricos grandes (> a 2kV/mm2) a temperaturas cercanas a la temperatura Curie. Esta es la forma
de conseguir piezoeléctricos mejorados, como el BaTiO3, PbTiO3 y otros.
Para comprender el efecto piezoeléctrico se debe entender que los momentos dipolares
explicados anteriormente están íntimamente ligados a la estructura física del material.
Es por ello que una deformación mecánica (en el sentido adecuado) altera ese conjunto de
momentos levemente y, por ende, al momento resultante. La resistencia interna es muy grande y las
cargas del aire no anulan inmediatamente la nueva distribución de cargas de polarización, por lo
que se observa una diferencia de potencial neta transitoria en las caras del cristal (hasta que las
cargas libres del aire vuelven a anular el efecto de las internas). Dichos voltajes pueden ser del
orden de los 10 kV, como en los encendedores comunes.
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Un cristal piezoeléctrico colocado en un campo eléctrico variable reaccionará de forma
variable en armonía con el campo. En particular, si se lo coloca entre dos placas metálicas
conectadas a un generador de corriente alterna (el cual produce un voltaje variable de acuerdo a una
onda sinusoidal) el cristal deberá responder con un movimiento oscilante que intentará simular
dicho voltaje oscilante.
Conectado a una fuente de corriente alterna, dicho cristal se comporta de la misma forma
que una Resistencia, un Inductor y un Capacitor conectados en serie a la fuente, y se simboliza:
Símbolo de un cristal
Circuito equivalente
El circuito equivalente descrito posee una frecuencia característica de voltaje alterno,
llamada frecuencia de resonancia o natural, en la cual los efectos del inductor y del capacitor sobre
la corriente son nulos. En este circuito serie, a esa frecuencia, la corriente que circula es máxima.
Esta frecuencia es característica de cada cristal, no solo de su composición química sino de
su geometría y la temperatura. Es muy notable que sus cualidades piezoeléctricas solo se exhiben
de forma predecible a esa frecuencia natural. A otras frecuencias su comportamiento debe ser
estudiado a través de un sistema de ecuaciones diferenciales de muy difícil resolución.
Estos circuitos son utilizados comúnmente como filtros de señales: frente a una onda (por
ejemplo, de radio) de una cierta frecuencia, se ajusta el circuito para que su frecuencia de
resonancia coincida con ella. Así la corriente que circula es máxima y puede identificarse la señal.
En la práctica, los cristales son mucho más precisos, pues su frecuencia puede ser determinada con
más de 5 decimales de exactitud y son muy poco sensibles a las “distorsiones” que puedan generar
otras frecuencias.
A pesar de haber sido descubierto en 1880, el efecto piezoeléctrico se mantuvo como una
rareza de laboratorio por más de dos décadas. Recién durante la Primera Guerra Mundial, el
gobierno de EE.UU. comenzó a investigar su aplicación en radares para submarinos.
Ya en la Segunda Guerra Mundial se usaron activamente como detonadores de bombas airetierra. El cristal, fijo a un dispositivo en la cabeza de la bomba, es comprimido al impactar y esto se
traslada en una descarga eléctrica que causa la ignición del detonador y de los explosivos.
Hoy en día los piezoeléctricos tienen muchas y variadas aplicaciones en la vida cotidiana.
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El efecto piezoeléctrico directo es utilizado para obtener movimientos pequeños, precisos y
rápidos, conociendo cuál será su respuesta mecánica frente a un cierto voltaje aplicado. Así se
consiguen movimientos menores que el radio de un átomo para microscopios de muy alta
resolución.
También se aprovecha este efecto para empujar los émbolos de los cartuchos de las
impresoras a chorro de tinta, generando diminutas gotas en el momento preciso.
Otro uso de este efecto es en fonógrafos, en donde las vibraciones mecánicas de la púa en el
surco del disco comprimen un cristal de forma tal que la corriente producida por este es
interpretada por el circuito del equipo y trasladada a los parlantes. El material más utilizado para
ello es la Sal de Rochelle (NaKC4H4O6).
A pesar de que esta sal es una de las sustancias naturales que presenta efectos
piezoeléctricos mayores, tiene el inconveniente de que sus propiedades cambian de manera
apreciable con la temperatura, haciéndola inapropiada para muchas otras aplicaciones. Para ellas se
utiliza el cuarzo o los materiales cerámicos mejorados.
Los materiales piezoeléctricos más comunes son los cerámicos. Debido a que éstos son
duros y quebradizos un gran esfuerzo mecánico provoca una deformación pequeña.
Recientemente, algunos materiales plásticos han sido fabricados y preparados con
características piezoeléctricas. Debido a que el plástico es un material mucho más blando que la
cerámica y puede ser fabricado más fácilmente en forma de láminas delgadas, la deformación
producida por un esfuerzo mecánico determinado puede ser varios cientos de veces mayor. Así,
estos materiales son suficientemente sensibles para ser usados como detectores de vibraciones (ya
sea ondas sonoras como térmicas) en micrófonos o equipos especiales.
Estos materiales también están presentes en otro dispositivo de gran uso: los encendedores.
En un encendedor del tipo Magiclick, el gatillo comprime un cristal piezoeléctrico que genera una
diferencia de potencial entre la placa exterior de la boca del encendedor (usualmente en forma de
corona redonda o cuadrada) y un eje metálico central. Esta diferencia de potencial es tan grande
(aproximadamente 10kV) que produce la ruptura del aire; el aire se polariza y ocurre una corriente
eléctrica entre el eje y la corona en forma de chispa. Al mismo tiempo el gatillo libera el gas del
encendedor, y como resultado obtenemos la llama.
Anexo:
Para comprobar las propiedades de los cristales piezoeléctricos se hizo crecer un cristal de
sal de Rochelle. Sin embargo no se pudo obtener un monocristal útil.
Instrucciones completas para realizar este experimente se pueden encontrar en:
www.geocities.com/Heartland/Ranch/8785/xlroch.html
Bibliografía:
 Química para Ingeniería. Dra. Alicia Jubert y Dr. Edgardo Donati, CEILP, 2000.
 Química General. K. W. Whitten, K. D. Gailey y R. E. Davis, McGraw-Hill, Tercera
Edición, 1992.
 Física. R. P. Feynman, Volumen II, Fondo Educativo Interamericano S.A., 1972.
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
Advanced Inorganic Chemistry, F. Albert Cotton y Geoffrey Wilkinson, John Wiley
& Sons, Quinta Edición.
Vínculos sobre el tema:
 http://www.piezo.com/
 www.piezo.com/intro.html
 www.piezo.com.edu.html
 www.efunda.com/materials/piezo/general_info/gen_info_index.cfm
 luv.postech.ac.kr/~ferro/piezoele.htm
 amsl.mit.edu/research/Materials/character/piezoelectricity.htm
 www.tpub.com/neets/book9/35a.htm
 www.physikinstrumente.com/tutorial/4_15.html