¿Qué es un material piezoeléctrico? Funcionamiento, ventajas y limitaciones

Materiales piezoeléctricos existen desde finales de los años 80 y han allanado el camino para muchos inventos que han cambiado el juego. Sirviendo en forma de SONAR en la guerra mundial estos materiales han llamado la atención de los inventores por su características místicas Redes de sensores inalámbricos, Internet de las cosas rige la era técnica del siglo XXI. Para mantener estas novedades en funcionamiento, la necesidad de energía se ha convertido en el mayor reto. La búsqueda de una energía sostenible y fiable, fuente de energía renovable hizo que los investigadores tropezaran con cosechadoras de energía pioneras: las materiales piezoeléctricos. Emprendamos un viaje para explorar esta nueva era cosechadoras de energía.

¿Qué es el material piezoeléctrico?

Para saber qué es un material piezoeléctrico hay que saber qué significa el término piezoeléctrico En PIEZOELECTRICIDAD el término "piezo" significa presión o tensión. Así, piezoelectricidad se define como "Electricidad generada por la aplicación de un esfuerzo o tensión mecánica" y los materiales que presentan esta propiedad entran en la categoría de materiales piezoeléctricos. El mérito del descubrimiento de estos materiales corresponde a Sir Jacques Curie (1856-1941) y Pierre Curie (1859-1906). Al experimentar con ciertos minerales cristalinos como el cuarzo, el azúcar de caña, etc... descubrieron que la aplicación de fuerza o tensión sobre estos materiales generaba tensiones de polaridades opuestas con magnitudes propositivas a la carga aplicada. Este fenómeno se denominó Directo Piezoefecto.

En el año siguiente, Lippman descubrió el efecto Converse afirmando que uno de estos cristales generadores de tensión, al ser expuesto a un campo eléctrico, se alargaba o acortaba según la polaridad del campo aplicado. Materiales piezoeléctricos se conocieron con su papel en la Primera Guerra Mundial, cuando se utilizó el cuarzo como resonador en el SONAR. Durante el periodo de la 2ª Guerra Mundial, se descubrió el material piezoeléctrico sintético, que más tarde condujo al intenso desarrollo de dispositivos piezoeléctricos. Antes de utilizar un material piezoeléctrico hay que saber qué características hacen que estos materiales sean piezoeléctricos.

Propiedades del material piezoeléctrico y cómo funciona

El secreto de los materiales piezoeléctricos reside en su estructura atómica única. Los materiales piezoeléctricos están unidos iónicamente y contienen iones positivos y negativos en forma de pares llamados celdas unitarias. Estos materiales están disponibles en la naturaleza como un dieléctrico anisotrópico con red cristalina no centrosimétrica es decir, no tienen cargas eléctricas libres y los iones carecen de centro de simetría.

Efecto piezoeléctrico directo

Cuando se aplica una tensión mecánica o una fricción sobre estos materiales, la geometría de la estructura atómica del cristal cambia debido al movimiento neto de los iones positivos y negativos entre sí, lo que provoca dipolo eléctrico o Polarización. Así, el cristal pasa de ser un dieléctrico a un material cargado. La cantidad de tensión generada es directamente proporcional a la cantidad de esfuerzo o tensión aplicada al cristal.

Efecto piezoeléctrico inverso

Cuando se aplica electricidad a estos cristales aparecen dipolos eléctricos, formando el movimiento dipolar que provoca la deformación del cristal, dando así lugar al efecto inverso efecto piezoeléctrico como se muestra en la figura.

Materiales piezoeléctricos sintéticos

Hecho por el hombre materiales piezoeléctricos como cerámica piezoeléctrica presentan una polarización espontánea (propiedad ferroeléctrica), es decir, existe un dipolo en su estructura incluso cuando no se aplica ningún campo eléctrico. Aquí la cantidad de efecto piezoeléctrico producido depende en gran medida de su estructura atómica. Los dipolos presentes en la estructura forman dominios-regiones donde los dipolos vecinos tienen la misma alineación. Inicialmente, estos dominios están orientados de forma aleatoria, por lo que no provocan una polarización neta.

Al aplicar un fuerte campo eléctrico de corriente continua a estas cerámicas, cuando pasan por su punto de Curie, los dominios se alinean en la dirección del campo eléctrico aplicado. Este proceso se denomina pulido. Tras enfriar a temperatura ambiente y eliminar el campo eléctrico aplicado, todos los dominios mantienen su orientación. Una vez finalizado este proceso, la cerámica presenta el efecto piezoeléctrico. Los materiales piezoeléctricos naturales existentes, como el cuarzo, no muestran comportamiento ferroeléctrico.

Ecuación piezoeléctrica

El efecto piezoeléctrico se puede describir con lo siguiente Ecuaciones de acoplamiento piezoeléctrico

Efecto piezoeléctrico directo: S = sE .T+ d. E
Efecto piezoeléctrico inverso: D = d.T+εT.E

Donde,

D = vector de desplazamiento eléctrico

T = el vector de tensión

sE = matriz de coeficientes elásticos a intensidad de campo eléctrico constante,

S = vector de deformación

εT = matriz dieléctrica a tensión mecánica constante

E = vector de campo eléctrico

d = efecto piezoeléctrico directo o inverso

El campo eléctrico aplicado en diferentes direcciones genera diferentes cantidades de tensión en los materiales piezoeléctricos. Por eso se utilizan convenciones de signos junto con los coeficientes para conocer la dirección del campo aplicado. Para determinar la dirección, se utilizan los ejes 1, 2, 3 de forma análoga a X, Y, Z. La polarización se aplica siempre en la dirección de 3. El coeficiente con doble subíndice relaciona las características eléctricas y mecánicas, y el primer subíndice describe la dirección del campo eléctrico de acuerdo con la tensión aplicada o la carga producida. El segundo subíndice indica la dirección de la tensión mecánica.

El coeficiente de acoplamiento electromecánico se presenta de dos formas. La primera es el término de actuación d, y la segunda es el término de sensor g. Los coeficientes piezoeléctricos junto con sus notaciones pueden explicarse con d33

Dónde,

d especifica que la tensión aplicada está en la 3ª dirección.

3 especifica que los electrodos son perpendiculares al 3er eje.

3 especifica la constante piezoeléctrica.

¿Cómo funciona el material piezoeléctrico?

Como se ha explicado anteriormente, los materiales piezoeléctricos pueden funcionar en dos modos:

• • El efecto piezoeléctrico directo
  • El efecto piezoeléctrico inverso

Tomemos un ejemplo de cada uno para entender la aplicación de estos modos.

Generador de golpes de curación mediante el efecto piezoeléctrico directo:

DARPA ha desarrollado este dispositivo para dotar a los soldados de un generador de energía portátil. El material piezoeléctrico implantado en los zapatos experimenta una tensión mecánica cuando el soldado camina. Debido a la tensión propiedad piezoeléctricael material produce carga eléctrica debido a esta tensión mecánica. Esta carga se almacena en el condensador o baterías que pueden utilizarse para cargar sus dispositivos electrónicos sobre la marcha.

Oscilador de cristal de cuarzo en los relojes mediante el efecto piezoeléctrico inverso

Los relojes contienen un cristal de cuarzo. Cuando la electricidad de la batería se aplica a este cristal a través de un circuito, se produce un efecto piezoeléctrico inverso. Debido a este efecto, al aplicar la carga eléctrica el cristal comienza a oscilar con una frecuencia de 32768 veces por segundo. El microchip presente en el circuito cuenta estas oscilaciones y genera un impulso regular por segundo que hace girar las manecillas de los segundos del reloj.

Usos de los materiales piezoeléctricos

Debido a su singularidad características, los materiales piezoeléctricos han adquirido un papel importante en diversas invenciones tecnológicas.

Uso del efecto piezoeléctrico directo

• • En las estaciones de tren de Japón, el concepto de "granja de multitudes", en la que las pisadas de los peatones sobre las baldosas piezoeléctricas incrustadas en la calzada pueden generar electricidad.

• • En 2008, una discoteca de Londres construye el primer suelo ecológico hecho de material piezoeléctrico que puede generar electricidad para alimentar las bombillas cuando la gente baila sobre él.

• • El efecto piezoeléctrico encuentra una aplicación útil como filtros de frecuencia mecánica, dispositivos de ondas acústicas de superficiedispositivos de ondas acústicas de masa, etc

• • Micrófonos y altavoces de sonido y ultrasonidos, imágenes ultrasónicashidrófonos.

• • Pastillas piezoeléctricas para guitarras, biosensores para alimentar el marcapasos.
  • Los elementos piezoeléctricos también se utilizan en la detección y generación de ondas de sonar, de un eje y de dos ejes de inclinación.

Usos del efecto piezoeléctrico inverso

Por Acoplamiento de Campos Eléctricos y Mecánicos:

• • Para investigar la estructura atomística de los materiales.
  • Para controlar la integridad estructural y detectar fallos en fases tempranas en estructuras civiles, industriales y aeroespaciales.

Ventajas y limitaciones de los materiales piezoeléctricos

Las ventajas y limitaciones de los materiales piezoeléctricos son las siguientes

Ventajas

• • Los materiales piezoeléctricos pueden funcionar en cualquier condición de temperatura.

• • Tienen un bajo huella de carbono lo que los convierte en la mejor alternativa a los combustibles fósiles.

• • Las características de estos materiales los convierten en los mejores captadores de energía.

• • La energía no utilizada que se pierde en forma de vibraciones puede aprovecharse para generar energía verde.
  • Estos materiales pueden reutilizarse.

Limitaciones

• • Al trabajar con vibraciones, estos aparatos son propensos a captar también vibraciones no deseadas.

• • La resistencia y la durabilidad aplican límites a los dispositivos cuando se utilizan para aprovechar la energía de los pavimentos y las carreteras.

• • El desajuste entre la rigidez del material piezoeléctrico y el material del pavimento.
  • Se conocen menos detalles de estos dispositivos y la cantidad de investigación realizada hasta la fecha no es suficiente para explotar el uso completo de estos dispositivos.

Como se dice, "la necesidad es la madre de la invención", nuestra necesidad de un dispositivo de recolección de energía de baja huella de carbono y sin complicaciones ha traído materiales piezoeléctricos en el centro de atención de nuevo. ¿Cómo pueden estos materiales superar sus limitaciones? ¿Nos dirigimos hacia un futuro en el que, en lugar de preocuparnos por la cantidad de combustible que se utiliza para viajar, sólo nos preguntemos por la cantidad de energía que genera nuestro coche? ¿Qué opinas? He aquí una pregunta para ti, ¿cuál es el mejor material piezoeléctrico?