El efecto piezoeléctrico
El efecto piezoeléctrico fue desarrollado como disciplina de investigación en física por los hermanos Jacques y Pierre Curie a mediados del siglo XIX. La palabra «piezo» en griego significa presión y «piezoeléctrico» significa electricidad obtenida de la presión, así como presión obtenida de la electricidad. Es un proceso de doble conversión. En esta lección, observamos los tipos de materiales que tienen esta propiedad y usamos la idea de la estructura del material y los momentos dipolares para explicar el fenómeno.
Cómo funciona
Empezamos con el cuarzo , un material piezoeléctrico común. El cuarzo está compuesto de silicio y oxígeno. Como fórmula química, el cuarzo es SiO 2 . Estructuralmente, el cuarzo tiene cuatro átomos de oxígeno unidos a un átomo de silicio. En la figura, los átomos de oxígeno son verdes y el átomo de silicio es rojo.
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Tenga en cuenta que el átomo de silicio es equidistante de los átomos de oxígeno. El cuarzo es un material ferroeléctrico de origen natural . Este tipo de material transfiere energía entre un campo eléctrico y una fuerza mecánica. Como veremos, esta es la base del efecto piezoeléctrico. También se pueden fabricar materiales ferroeléctricos. Un ejemplo es el titanato de bario compuesto . La fórmula química del titanato de bario es BaTiO 3 . Cuando consideramos la estructura de este material, debemos considerar la temperatura en comparación con la temperatura de Curie . La temperatura de Curie es la temperatura que marca el cambio de material ferroeléctrico a no ferroeléctrico. La temperatura de Curie para el titanato de bario es de aproximadamente 120 o C. La figura muestra la estructura básica del titanato de bario cuando está por encima de la temperatura de Curie.
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Las esferas verdes en las esquinas representan los átomos de bario mientras que las esferas azules en la superficie son los átomos de oxígeno. La esfera roja en el centro representa el átomo de titanio. Tenga en cuenta la simetría central de esta estructura. Para cada punto ubicado por ( x , y , z ), hay una imagen especular ubicada en (- x , – y , – z ). Por ejemplo, el átomo de bario de la esquina superior derecha frontal ubicado en x = 5, y = 5 y z = 5 tiene una imagen especular del átomo inferior izquierdo de la parte posterior en (-5, -5, -5). Los materiales que tienen una estructura de simetría central no son ferroeléctricos. Sin embargo, a temperaturas por debajo de la temperatura de Curie, la estructura se parece a:
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Tenga en cuenta que el átomo de titanio está por encima del centro. El material de titanato de bario es ahora un material ferroeléctrico. Hay un momento dipolar natural debido al desplazamiento del átomo central. Un momento dipolar es un vector que mide la separación entre cargas opuestas. Cuanto mayor sea la separación, mayor será el momento dipolar. Este momento dipolar es proporcional a un campo eléctrico y se muestra en naranja.
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Si nos enfocamos en el momento dipolar, podemos entender mejor el efecto piezoeléctrico. Mire una porción del material con su momento dipolar apuntando hacia arriba.
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Si comprimimos este material empujando desde arriba y desde abajo, el material se hará más pequeño en la dimensión vertical.
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El resultado es que el átomo de titanio se acerca al centro de la estructura, lo que significa que el momento dipolar se vuelve más pequeño y el campo eléctrico se vuelve más pequeño. Podemos aumentar el campo eléctrico alargando el momento dipolar. Esto sucede al empujar desde los lados izquierdo y derecho, lo que hace que el átomo de titanio se aleje más del centro.
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Estos tipos de fuerzas sobre los materiales ferroeléctricos provocan cambios en el campo eléctrico. Sorprendentemente, cuando hay un cambio en el campo eléctrico, el material cambia de forma. Lo que tenemos es un transductor que convierte energía mecánica (una fuerza sobre una distancia) en energía eléctrica (proporcional a un campo eléctrico), además de poder convertir energía eléctrica en energía mecánica. Esta conversión es la característica principal del efecto piezoeléctrico.
Aplicaciones
Las imágenes por ultrasonido utilizan materiales de cristal similares al cuarzo, como el PZT (titanato de zirconato de plomo). Al aplicar un voltaje alterno de alta frecuencia (4 MHz), el transductor se moverá hacia adelante y hacia atrás, creando una onda acústica que puede penetrar la piel de manera segura y no destructiva. Estas ondas se reflejan desde una superficie interna (como un bebé por nacer), y la onda reflejada mueve mecánicamente el transductor, generando una señal eléctrica. Esta señal se interpreta para proporcionar información sobre la distancia y la imagen. A mayor escala, los sistemas de sonar (Sound Navigation And Ranging) utilizan este mismo principio para detectar objetos submarinos, ya sean submarinos o barcos hundidos. El material ferroeléctrico utilizado ha sido ADP (dihidrogenofosfato de amonio), titanato de bario y, más recientemente, PZT. Las pastillas de instrumentos musicales utilizan una cuerda vibrante o un cuerpo de instrumento vibrante para generar una señal eléctrica que puede procesarse más. Nuevamente, una aplicación del efecto piezoeléctrico y un material típico es PZT. Para voltajes pequeños, los cambios en las dimensiones del material piezoeléctrico son muy pequeños. Esto conduce a dispositivos nanométricos como el nanogenerador para la recolección de energía y el enfoque de tinta en impresoras de inyección de tinta.
Resumen de la lección
El efecto piezoeléctrico está presente en materiales ferroeléctricos , que son capaces de transferir energía entre campos eléctricos y fuerzas mecánicas. El cuarzo es un material ferroeléctrico de origen natural, mientras que el titanato de bario se fabrica. La temperatura de Curie es la temperatura que marca el cambio de propiedades ferroeléctricas a no ferroeléctricas en un material. La temperatura de los materiales ferroeléctricos cambia la simetría de la estructura. Una de esas simetrías se llama simetría central.. El efecto piezoeléctrico ocurre cuando el material ferroeléctrico está a una temperatura por debajo de la temperatura de Curie en la que la estructura no tiene simetría central. Esto se explica considerando el momento dipolar causado por el desplazamiento del átomo central. Este momento dipolar y el campo eléctrico producido son proporcionales. La compresión de un material ferroeléctrico da como resultado un cambio en el momento dipolar. Los transductores son dispositivos que convierten energía mecánica en energía eléctrica, además de poder convertir energía eléctrica en energía mecánica. Las aplicaciones del efecto piezoeléctrico incluyen imágenes de ultrasonido , sonar , captadores de instrumentos musicales y aparatos nanométricos .
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