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.
