PIEZOELECTRICIDAD Y ELECTROSTRICCIÓN

PIEZOELECTRICIDAD Y ELECTROSTRICCIÓN
INTRODUCCIÓN I (Conceptos previos)
Un átomo aislado posee una distribución perfectamente esférica de carga
negativa rodeando a su núcleo positivo, sin embargo en algunos átomos la distribución
de carga es asimétrica, que es lo que llamamos dipolo.
En un material dieléctrico puede haber muchos dipolos eléctricos que al aplicar
un campo eléctrico se orientan en la misma dirección, que es lo que denominamos
polarización.
P = ∑ Pi / Vmat
Siendo P la polarización del material
Pi los dipolos del material
Vmat el volumen del material
INTRODUCCIÓN II
Propiedad de algunos materiales dieléctricos basada en la estrecha relación entre
su estructura cristalina y la polarización.
a) Electrostricción
b) Piezoelectricidad
ELECTROSTRICCIÓN:
Al aplicar una diferencia de potencial o campo eléctrico, el material se polariza,
sus átomos y moléculas se distorsionan y el material en su conjunto cambia de tamaño.
Esto puede ocurrir como resultado de los enlaces entre los iones que varían en
longitud o de las distorsiones debidas a la orientación de los dipolos permanentes en el
material.
PIEZOELECTRICIDAD:
El prefijo piezo- proviene de la palabra griega presión.
Al aplicar una presión sobre el material dieléctrico, este se contrae, sus átomos y
moléculas cambian de tamaño y se forman dipolos eléctricos. Esta polarización
produce, a su vez, una diferencia de potencial entre los extremos del material, que es lo
que denominamos piezoelectricidad.
Los materiales dieléctricos que muestran este comportamiento reversible son
piezoeléctricos.
Los materiales que están permanentemente polarizados, como el bario, el titanio
y cuarzo, muestran este efecto.
Esta habilidad para convertir energía eléctrica en energía mecánica, y viceversa,
es un buen ejemplo de transductor (dispositivo para convertir una forma de energía en
otra).
EFECTO PIEZOELÉCTRICO:
Figura a) Ilustración esquemática de dipolos eléctricos dentro de un material
piezoeléctrico. En este material habrá un exceso de carga positiva en un extremo y de
carga negativa en el otro en la dirección de la polarización.
Figura b) Muestra el efecto piezoeléctrico directo, en el cual esfuerzos de
compresión sobre el material reducen la distancia entre los dipolos unitarios, por lo que,
reduce el momento dipolar global por unidad de volumen del material. Este cambio en
el material hace que varíe la densidad de carga en los extremos de la muestra y así
cambia la diferencia de potencial entre estos extremos, si están aislados uno del otro.
Figura c) Muestra el efecto piezoeléctrico inverso, aquí aplicamos un campo
eléctrico a través de los extremos de la muestra, la densidad de carga en cada uno de los
extremos de la misma cambiará. Este cambio de la densidad de carga obligará a la
muestra a variar las dimensiones en la dirección del campo aplicado. La muestra sufre
un ligero alargamiento, debido al incremento de la carga positiva que en uno de sus
extremos atrae a los polos negativos de los dipolos, con un comportamiento contrario en
el otro extremo de la muestra.
De este modo, el efecto piezoeléctrico es un efecto electromecánico por el cual
fuerzas mecánicas sobre un material ferroeléctrico pueden producir una respuesta
eléctrica o bien fuerzas eléctricas una respuesta mecánica.
MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS:
El titanato de bario (BaTiO3) y otros materiales cerámicos exhiben este efecto.
Aunque el BaTiO3 se utiliza comúnmente ha sido ampliamente reemplazado por
materiales cerámicos fabricados a partir de disoluciones sólidas de circonato de plomo
(PbZrO3) y titanato de plomo (PbTiO3) debido a que presentan una temperatura crítica
notablemente más alta.
APLICACIONES:
Una aplicación usual de los materiales piezoeléctricos es como transductores
ultrasónicos.
El efecto piezoeléctrico es el responsable del funcionamiento del teléfono,
grabadoras, equipos estereofónicos, así como en otros dispositivos electroacústicos.
También se usa en sintonizadores para radios.