PIEZOELÉCTRICO: Propiedad del cristal de cuarzo que le causa vibración, cuando se le aplica un voltaje de alta frecuencia (500 kHz o más alto). Este concepto se utiliza para atomizar agua en un humidificador.
El efecto piezoeléctrico
Algunos materiales presentes en la naturaleza, como el cuarzo, poseen el efecto piezoeléctrico. Esto significa que, cuando se aplica una tensión alterna a un cristal de cuarzo de dimensiones adecuadas, este vibra con la misma frecuencia que la tensión aplicada.
Esto ocurre porque la aplicación de la tensión cambia la polaridad eléctrica del cristal y, durante ese proceso, produce una deformación mecánica. Este fenómeno se conoce como efecto motor y, para conseguirlo, el cristal, dimensionado con precisión, se coloca entre placas metálicas para formar un circuito como el mostrado en la Figura 1.
Figura 1. : Oscilador basado en el efecto piezoeléctrico (An oscillator based on the piezoelectric effect).
Cuando se invierte el proceso, es decir, cuando se aplica una fuerza sobre el cristal, se produce una deformación mecánica, cambia la polaridad eléctrica y se genera una tensión entre las placas metálicas. Este fenómeno se conoce como efecto generador y constituye el principio de funcionamiento del sensor de detonación utilizado en numerosos sistemas de gestión electrónica del motor (Figura 2).
El cuarzo natural contiene impurezas. Para solucionar este problema, el cuarzo se «cultiva» en condiciones controladas. Además del cuarzo y de algunos otros materiales, determinadas cerámicas compuestas por mezclas de óxidos de platino, circonio y titanio (PZT) también poseen propiedades piezoeléctricas.
Figura 2. Efectos generador y motor piezoeléctricos (The piezoelectric generator and motor effects).
Una propiedad importante de un material piezoeléctrico es su coeficiente de acoplamiento \(k\). Este expresa la relación entre la energía eléctrica y la energía mecánica:
\[
k^2 =
\frac{\text{energía mecánica de salida}}
{\text{energía eléctrica de entrada}}
\]
o bien:
\[
k^2 =
\frac{\text{energía eléctrica de salida}}
{\text{energía mecánica de entrada}}
\]
Figura : Funcionamiento de dispositivos piezoeléctricos en sistemas de audio
1. Pickup piezoeléctrico
El pickup piezoeléctrico es un transductor que convierte las vibraciones mecánicas producidas por el recorrido de una aguja (estilo) en los surcos de un disco fonográfico en señales eléctricas. Este proceso se basa en el efecto piezoeléctrico, por el cual ciertos cristales generan una carga eléctrica cuando se deforman mecánicamente.
Cuando el estilo se mueve siguiendo las ondulaciones del surco del disco, transmite estas vibraciones a un cristal piezoeléctrico a través de un conjunto mecánico. El cristal se deforma levemente con cada vibración, generando una señal de salida eléctrica proporcional al movimiento. Esta señal es amplificada y enviada a los altavoces.
2. Auricular piezoeléctrico
En el auricular piezoeléctrico ocurre el proceso inverso: convierte señales eléctricas en vibraciones audibles. Una señal de entrada eléctrica excita un cristal piezoeléctrico, que se deforma rápidamente de forma controlada. Este movimiento se transfiere a un diafragma conectado, haciendo que vibre y genere ondas sonoras que el oído percibe.
Estos auriculares son ligeros, de bajo costo y muy usados en aplicaciones básicas o dispositivos donde se requiere bajo consumo eléctrico, aunque su calidad de audio es limitada en comparación con transductores dinámicos.
Aplicaciones y ventajas
- No requieren campos magnéticos como los transductores electromagnéticos.
- Son compactos, resistentes y económicos.
- Ideales para equipos portátiles, reproductores fonográficos y soluciones industriales de bajo consumo.
-
Piezoelectricidad: Fenómeno en sólidos donde ciertos materiales generan un voltaje eléctrico en respuesta a una presión mecánica aplicada, o viceversa, generan una deformación mecánica bajo un campo eléctrico.
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Coeficientes piezoeléctricos: Representan la magnitud de la respuesta eléctrica o mecánica en un material piezoeléctrico. Estos se describen mediante tensores de tercer rango en función de la simetría cristalina.
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Cristalografía y piezoelectricidad: La respuesta piezoeléctrica depende de la estructura cristalina del material. Los cristales con simetría no centro-simétrica son esenciales para la piezoelectricidad.
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Materiales piezoeléctricos destacados:
- Pb(Zr,Ti)O3 (PZT): Uno de los sistemas piezoeléctricos más estudiados, con propiedades ajustables mediante modificaciones composicionales.
- Perovskitas: Incluyen materiales como BaTiO3 y PbTiO3, donde la polarización espontánea surge por desplazamientos iónicos dentro de la celda unitaria.
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Aplicaciones de la piezoelectricidad:
- Transductores: Usados en dispositivos ultrasónicos, sonares y sensores de energía.
- Actuadores piezoeléctricos: Utilizados para posiciones precisas en sistemas de micro y nanotecnia.
- Recolección de energía: Dispositivos que convierten vibraciones mecánicas en energía eléctrica utilizable.
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Efectos secundarios relacionados:
- Electrostricción: Fenómeno donde la aplicación de un campo eléctrico provoca una deformación mecánica en un material debido al acoplamiento entre la polarización y la estructura cristalina.
- Histeresis y polarización espontánea: Caracterizan el comportamiento no lineal y dependiente de temperatura de materiales ferroelectricos y piezoeléctricos.
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