¿Qué son los materiales piezoeléctricos?

Si alguna vez usó un encendedor de cigarrillos, experimentó un ultrasonido médico en el consultorio de un médico o encendió un quemador de gas, ha usado piezoelectricidad.

​Los materiales piezoeléctricos son materiales que tienen la capacidad de generar carga eléctrica interna a partir de la tensión mecánica aplicada.El terminopiezoes el griego para "empujar".

Varias sustancias naturales en la naturaleza demuestran el efecto piezoeléctrico. Éstas incluyen:

• Hueso
• Cristales
• Ciertas cerámicas
• ADN
• Esmalte
• Seda
• Dentina y muchos más.

Los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también demuestran el efecto piezoeléctrico inverso (también llamado efecto piezoeléctrico inverso o inverso). Laefecto piezoeléctrico inversoes la generación interna de tensión mecánica en respuesta a un campo eléctrico aplicado.

Los cristales fueron el primer material utilizado en la experimentación temprana con piezoelectricidad. Los hermanos Curie, Pierre y Jacques, probaron por primera vez el efecto piezoeléctrico directo en 1880. Los hermanos ampliaron su conocimiento práctico de estructuras cristalinas y materiales piroeléctricos (materiales que generan una carga eléctrica en respuesta a un cambio de temperatura).

Midieron las cargas superficiales de los siguientes cristales específicos:

• Caña de azucar
  
• Turmalina
• Cuarzo
• Topacio
• Sal de Rochelle (tartrato de sodio y potasio tetrahidratado)

El cuarzo y la sal de Rochelle demostraron los efectos piezoeléctricos más elevados.

Sin embargo, los hermanos Curie no predijeron el efecto piezoeléctrico inverso. El efecto piezoeléctrico inverso fue deducido matemáticamente por Gabriel Lippmann en 1881. Los Curie luego confirmaron el efecto y proporcionaron una prueba cuantitativa de la reversibilidad de las deformaciones eléctricas, elásticas y mecánicas en los cristales piezoeléctricos.

Para 1910, las 20 clases de cristales naturales en las que se produce la piezoelectricidad estaban completamente definidas y publicadas en Woldemar Voigt'sLehrbuch Der Kristallphysik. Pero siguió siendo un área de nicho de la física oscura y altamente técnica sin ninguna aplicación tecnológica o comercial visible.

​Primera Guerra Mundial:La primera aplicación tecnológica de un material piezoeléctrico fue el detector submarino ultrasónico creado durante la Primera Guerra Mundial. La placa del detector estaba hecha de un transductor (un dispositivo que se transforma de un tipo de energía en otro) y un tipo de detector llamado hidrófono. El transductor estaba hecho de finos cristales de cuarzo pegados entre dos placas de acero.

El rotundo éxito del detector submarino ultrasónico durante la guerra estimuló un intenso desarrollo tecnológico de los dispositivos piezoeléctricos. Después de la Primera Guerra Mundial, se utilizaron cerámicas piezoeléctricas en los cartuchos de fonógrafos.

​Segunda Guerra Mundial:Las aplicaciones de materiales piezoeléctricos avanzaron significativamente durante la Segunda Guerra Mundial debido a la investigación independiente de Japón, la URSS y los Estados Unidos.

En particular, los avances en la comprensión de la relación entre la estructura cristalina y La actividad electromecánica, junto con otros desarrollos en la investigación, cambiaron el enfoque hacia el piezoeléctrico. tecnología por completo. Por primera vez, los ingenieros pudieron manipular materiales piezoeléctricos para una aplicación de dispositivo específica, en lugar de observar las propiedades de los materiales y luego buscar aplicaciones adecuadas de los propiedades.

Este desarrollo creó muchas aplicaciones de materiales piezoeléctricos relacionadas con la guerra, como micrófonos súper sensibles, potentes dispositivos de sonar, sonoboyas (pequeñas boyas con capacidad de escucha de hidrófonos y transmisión de radio para monitorear el movimiento de embarcaciones oceánicas) y sistemas de encendido piezoeléctrico para un solo cilindro igniciones.

Como se mencionó anteriormente, la piezoelectricidad es la propiedad de una sustancia para generar electricidad si se le aplica una tensión como apretar, doblar o torcer.

Cuando se coloca bajo tensión, el cristal piezoeléctrico produce una polarización,PAG, proporcional al estrés que lo produjo.

LaLa ecuación principal de la piezoelectricidad es​

dóndeDes el coeficiente piezoeléctrico, un factor único para cada tipo de material piezoeléctrico. El coeficiente piezoeléctrico del cuarzo es 3 × 10^-12. El coeficiente piezoeléctrico para titanato de circonato de plomo (PZT) es 3 × 10^-10.

Pequeños desplazamientos de iones en la red cristalina crean la polarización observada en la piezoelectricidad. Esto solo ocurre en cristales que no tienen centro de simetría.

La siguiente es una lista no exhaustiva de cristales piezoeléctricos con algunas descripciones breves de su uso. Más adelante analizaremos algunas aplicaciones específicas de los materiales piezoeléctricos más utilizados.

​Cristales de origen natural:​

• Cuarzo. Un cristal estable que se utiliza en cristales de reloj y cristales de referencia de frecuencia para transmisores de radio.
• Sacarosa (azúcar de mesa)
• Sal de Rochelle. Produce un gran voltaje con compresión; utilizado en los primeros micrófonos de cristal.
• Topacio
• Turmalina
• Berlinita (AlPO₄). Un mineral de fosfato raro estructuralmente idéntico al cuarzo.

​Cristales artificiales:​

• Ortofosfato de galio (GaPO₄), un análogo de cuarzo.
• Langasita (La₃Georgia₅SiO₁₄), un análogo de cuarzo.

​Cerámica piezoeléctrica:​

• Titanato de bario (BaTiO₃). La primera cerámica piezoeléctrica descubierta.
• Titanato de plomo (PbTiO₃)
• Titanato de circonato de plomo (PZT). Actualmente es la cerámica piezoeléctrica más utilizada.
• Niobato de potasio (KNbO₃)
• Niobato de litio (LiNbO₃)
• Tantalato de litio (LiTaO₃)
• Tungstato de sodio (Na₂WO₄)

​Piezocerámicas sin plomo:​

Los siguientes materiales se desarrollaron en respuesta a preocupaciones sobre la exposición ambiental dañina al plomo.

• Niobato de sodio y potasio (NaKNb). Este material tiene propiedades similares al PZT.
• Ferrita de bismuto (BiFeO₃)
• Niobato de sodio (NaNbO₃)

​Materiales piezoeléctricos biológicos:​

• Tendón
• Madera
• Seda
• Esmalte
• Dentina
• Colágeno

​Polímeros piezoeléctricos:Los piezopolímeros son livianos y de tamaño pequeño, por lo que su popularidad crece para aplicaciones tecnológicas.

El fluoruro de polivinilideno (PVDF) demuestra una piezoelectricidad que es varias veces más grande que el cuarzo. A menudo se utiliza en el campo médico, como en suturas médicas y textiles médicos.

Los materiales piezoeléctricos se utilizan en múltiples industrias, que incluyen:

• Fabricación
• Dispositivos médicos
• Telecomunicaciones
• Automotor
• Tecnología de la Información (TI)

​Fuentes de energía de alto voltaje:​

• Encendedores de cigarrillos eléctricos. Cuando presiona el botón de un encendedor, el botón hace que un pequeño martillo con resorte golpee un cristal piezoeléctrico, que produce una corriente de alto voltaje que fluye a través de un espacio para calentar y encender el gas.
• Parrillas o estufas de gas y quemadores de gas. Estos funcionan de manera similar al encendedor, pero a mayor escala.
• Transformador piezoeléctrico. Se utiliza como multiplicador de voltaje CA en lámparas fluorescentes de cátodo frío.

Los transductores de ultrasonido se utilizan en imágenes médicas de rutina. Atransductores un dispositivo piezoeléctrico que actúa como sensor y actuador.Transductores de ultrasonidocontienen un elemento piezoeléctrico que convierte una señal eléctrica en vibración mecánica (transmitir modo o componente del actuador) y vibración mecánica en señal eléctrica (modo de recepción o sensor componente).

El elemento piezoeléctrico generalmente se corta a la mitad de la longitud de onda deseada del transductor de ultrasonido.

Otros tipos de sensores piezoeléctricos incluyen:

• Micrófonos piezoeléctricos.
• Pastillas piezoeléctricas para guitarras electroacústicas.
• Ondas de sonar. Las ondas sonoras son generadas y detectadas por el elemento piezoeléctrico.
• Pads de batería electrónica. Los elementos detectan el impacto de las baquetas de los bateristas en los pads.
• Aceleromiografía médica. Se utiliza cuando una persona está bajo anestesia y se le han administrado relajantes musculares. El elemento piezoeléctrico del aceleromiógrafo detecta la fuerza producida en un músculo después de la estimulación nerviosa.

Una de las grandes utilidades de los actuadores piezoeléctricos es que los altos voltajes de campo eléctrico corresponden a pequeños cambios micrométricos en el ancho del cristal piezoeléctrico. Estas micro distancias hacen que los cristales piezoeléctricos sean útiles como actuadores cuando se necesita un posicionamiento pequeño y preciso de objetos, como en los siguientes dispositivos:

• Altavoces
• Motores piezoeléctricos
• Electrónica láser
• Impresoras de inyección de tinta (los cristales impulsan la expulsión de tinta del cabezal de impresión al papel)
• Motores diesel
• Persianas de rayos X

Los materiales inteligentes son una amplia clase de materiales cuyas propiedades pueden modificarse de forma controlada mediante un estímulo externo como pH, temperatura, productos químicos, un campo magnético o eléctrico aplicado, o estrés.Los materiales inteligentes también se denominan materiales funcionales inteligentes.​

Los materiales piezoeléctricos se ajustan a esta definición porque un voltaje aplicado produce un esfuerzo en un material piezoeléctrico y, a la inversa, la aplicación de una tensión externa también produce electricidad en el material.

Los materiales inteligentes adicionales incluyen aleaciones con memoria de forma, materiales halocrómicos, materiales magnetocalóricos, polímeros sensibles a la temperatura, materiales fotovoltaicos y muchos, muchos más.