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miércoles, 12 de junio de 2013

PIEZOELECTRICIDAD



Esta nota es una traducción al español de la nota original en inglés, Piezoelectricity,  publicada por la firma APC International, Ltd., especialista en Piezoelectricidad, quien gentilmente nos ha autorizado a republicarla.

En 1890, los hermanos Jacques y Pierre Curie descubrieron una característica inusual de ciertos minerales cristalinos: cuando se ejercía sobre ellos una fuerza mecánica, los cristales resultaban electricamente polarizados.Tracción y compresión generaban tensiones eléctricas de polaridad opuesta y resultaban ser proporcionales al valor de la fuerza aplicada. Además, fue confirmada la inversa de estas relaciones : si uno de estos cristales, generadores de tensión eléctrica, era expuesto a un campo eléctrico, se alargaba o acortaba, según la polaridad del campo y en forma proporcional a su magnitud.Estos comportamiento fueron denominados efecto piezoeléctrico y efecto piezoeléctrico inverso, respectivamente, por la palabra griega piezen, que significa presionar o apretar.

Aunque las magnitudes de los voltajes piezoeléctricos, los movimientos y las fuerzas son pequeñas y a menudo requieren amplificación(un disco típico de cerámica piezoeléctrica incrementará o disminuirá su espesor por sólo una pequeña fracción de milímetro, por ejemplo)los materiales piezoeléctricos han sido adaptados a una enorme cantidad de aplicaciones.El efecto piezoeléctrico es usado como sensor, tanto de fuerzas, como de desplazamiento. El efecto piezoeléctrico inverso es usado en aplicaciones tales como en motores y dispositivos que controlan precisamente el posicionamiento y para generar señáles de sonido y ultrasonido. En el siglo XX, las cerámicas piezoeléctricas de óxidos metálicos y otros materiales hechos por el hombre, les permitieron a los diseñadores emplear el efecto piezoeléctrico y el efecto piezoeléctrico inverso, en muchas nuevas aplicaciones. Estos materiales generalmente son fuertes físicamente y químicamente inertes, y son relativamente baratos de fabricar.La composición, forma y dimensiones de los elementos piezoeléctricos pueden ser adaptados para satisfacer los requisitos de un propósito específico. Las cerámicas fabricadas a partir de formulaciones de zirconato de plomo / titanato de plomo, presentan mayor sensibilidad y permiten mayores temperaturas de operación, con respecto a la cerámica de otras composiciones, y materiales como el "PZT" actualmente son las cerámicas piezoeléctricas más utilizadas.

¿Cómo son fabricadas las cerámicas piezoelécticas(piezo-cerámicas)?

Una tradicional cerámica piezo eléctrica es una masa de cristales cerámicos de perovskite, cada uno consistiendo de un pequeño ion metálico tetravalente, normalmente titanio o zirconio, en una estructura más grande, de iones metálicos bivalentes, usualmente plomo o bario y iones de O2.( Fig 1.1)
                                                                                                                                                            
Bajo condiciones que confieren simetría tetragonal o romboidal sobre los cristales, cada cristal tiene un momento de dipolo(Fig 1.1b). 



 
Para preparar una cerámica piezoeléctrica , los polvos finos de óxidos metálicos son mezclados en proporciones específicas y luego calentadas para formar un polvo uniforme. Este polvo piezoeléctrico es mezclado con un ligante orgánico y es introducido en moldes que tienen la forma deseada(discos, ruedas, placas, etc) y es cocido a una temperatura y durante un tiempo adecuado según un programa, durante el cual las partículas de polvo piezoeléctrico se sinterizan y el material adquiere una densa estructura cristalina. A continuación el material es enfriado, y luego modelado o recortado, para cumplir con las especificaciones y los electrodos son aplicados en las superficies apropiadas.

Sobre una temperatura crítica, el punto de Curie, cada cristal de perovskite, en el elemento cerámico calentado, presenta una simetría cúbica simple, sin nigún momento de dipolo(Fig 1.1a).A temperaturas por debajo del punto de Curie, sin embargo, cada cristal tiene una simetría tetragonal o romboidal y un momento de dipolo(Fig1.1b)

Los dipolos contíguos forman regiones de alineamiento local, llamadas dominios.La alineación da un momento de dipolo neto al dominio y entonces una polarización neta. La dirección de polarización entre los dominios vecinos es aleatoria, sin embargo, por lo que el elemento cerámico no tiene polarización general./Fig. 1.2a).

Los dominios en un elemento piezo cerámico son alineados mediante la exposición del elemento a un intenso campo eléctrico producido por una corriente contínua, normalmente a una temperatura ligeramente más baja que la del punto de Curie(Fig 1.2b).Por medio de este tratamiento de polarización(poling), los dominios mejor alineados con el campo eléctrico se expanden a expensas de los dominios que no están alineados con el campo y los elementos se alargan en la dirección del campo.Cuando el campo eléctrico es apagado, la mayoría de los dipolos se mantienen  en una configuración cercana al alineamiento(Fig. 1.2c).El elemento tiene ahora una polarización permanente y queda permanentemente alargado.


De manera análoga a las correspondientes características de los materiales ferromagnéticos, un material ferroeléctrico polarizado presenta histéresis.La Fig,1.3a muestra una curva de histéresis típica, creada aplicando un campo eléctrico a un elemento cerámico piezoeléctrico hasta la máxima polarización, Ps, luego atenuado, reduciendo el campo a cero para determinar la polarización remanente, Pr, luego invirtiendo el sentido del campo hasta alcanzar una polarización máxima negativa y una polarización remanente negativa.Luego volvemos a invertir el campo para volver a obtener la polarización remanente positiva.El trazado del digrama de abajo de la curva de histéresis representa el cambio de las dimensiones del elemento cerámico a lo largo de la dirección de polarización, en función del cambio del campo eléctrico. El incremento/disminución relativos, en las dimensiones paralelas a la dirección del campo eléctrico, es acompañado por por el correspondiente incremento/disminución en la dimensión perpendicular al campo eléctrico, aunque aproximadamente un 50% menor.(Fig.1.3b).







Que pueden hacer las cerámicas piezoeléctricas

La compresión o la tracción mecánicas ejercidas sobre un elemento cerámico, cambian el momento del dipolo, creando una tensión eléctrica(voltaje).La compresión a lo largo de la dirección de polarización, o la tracción perpendicular a la dirección de polarización, generan tensión de la misma polaridad que la tensión de polarización(poling)(Fig.1.4b).La tracción  a lo largo de la dirección de polarización, o la compresión perpendicular a la diección de polarización, generan voltajes con polaridad opuesta a la tensión de polarización (Fig1.4c). Estas acciones son acciones de generador : el elemento cerámico convierte la energía mecánica de compresión o tracción en energía eléctrica.Este comportamiento es usado en dispositivos de encendido de combustible, baterías de estado sólido, dispositivos sensores de fuerza y otros productos. Los valores de la tensión de compresión y de la tensión eléctrica (o intensidad de campo) generados mediante la aplicación de tensión mecánica a un elemento cerámico piezoeléctrico, son linealmente proporcional hasta una tensión específica del material. Lo mismo es cierto para la tensión eléctrica aplicada y la tensión mecánica generada.

Si un voltaje de la misma polaridad que la tensión de poling es aplicada a un elemento cerámico, en la dirección de la tensión eléctrica de poling, el elemento se alargará y su diámetro resultará más pequeño(Fig.1.4d).Si una tensión de polaridad opuesta a la de la tensión de poling es aplicada, el elemento se acortará y engrosará(Fig.1.4e). Si una tensión alterna es aplicada, el elemento se alargará y acortará ciclicamente, a la frecuencia de la tensión aplicada.Esta es la acción motor: la energía eléctrica es convertida en energía mecánica. El principio se adapta a los motores piezoeléctricos, dispositivos de generación de sonido o de ultrasonido y muchos otros productos.



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