User:Pcamellon/Cerámica piezoeléctrica
Las cerámicas piezoeléctricas son el elemento activo en la mayoría de los dispositivos y transductores ultrasónicos― más importantes, siendo los otros los cristales de cuarzo, los cristales hidrosolubles, los monocristales, los semiconductores piezoeléctricos, los polímeros y los compuestos piezoeléctricos.[1]
Las cerámicas piezoeléctricas pertenecen al grupo que da mayor flexibilidad de formato y de propiedades, siendo ellas ampliamente utilizadas en la fabricación de equipos industriales, específicamente en sistemas de limpieza, equipos de soldadura por ultrasonido, para ensayos no destructivos y equipos para monitorear vibraciones.[2]
Historia[edit]
A mitad del siglo XVIII, Linneo y Aepinus comprobaron la existencia de un potencial eléctrico como respuesta a cambios de temperatura en determinados materiales. A finales del siglo XVIII, Coulomb ya teorizaba que la electricidad podía ser producida aplicando presión. El fenómeno piezoeléctrico fue descubierto por René-Just Haüy, un minerólogo islandés, hacia 1870, aunque sus experimentos no fueron concluyentes. Unos años después, en 1880, los hermanos Jacques y Pierre Curie, observaron experimentalmente que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se establecían cargas eléctricas en este (el prefijo «piezo» deriva del griego piezein, que significa ‘presionar’). Más tarde comprobaron que los mismos materiales que muestran el efecto piezoeléctrico también muestran el efecto contrario, en el que cambian su forma bajo la influencia de un campo eléctrico dando lugar a lo que se denomina el efecto piezoeléctrico inverso.
Tras la Primera Guerra Mundial, debido a la dificultad para excitar transductores construidos con cuarzo, debido a su demanda para sistemas de alta tensión, comenzaron las investigaciones con materiales sintéticos piezoeléctrico. En los años cuarenta y cincuenta, estos esfuerzos llevaron a la fabricación de las primeras cerámicas piezoeléctricas, de titanato de bario (por la antigua Unión Soviética y Japón), y de titanato zirconato de plomo (PZT) por Estados Unidos.[3]
Por su capacidad de poder convertir la deformación mecánica en energía eléctrica y la energía eléctrica en deformación mecánica, los cristales piezoeléctricos encuentran una gran variedad de aplicaciones en transductores de presión, agujas para reproductores de discos de vinilo, micrófonos, cristales resonadores para los relojes, sensores de presión, aceleración, tensión o fuerza, en osciladores electrónicos de alta frecuencia, etc.[4]
El desarrollo de las cerámicas piezoeléctricas fue revolucionario. Ellas, además de presentar mejores propiedades que los cristales después de polarizadas, también presentaban geometrías y dimensiones más flexibles, ya que son fabricadas a través de la sinterización de polvos cerámicos, conformados mediante prensado o extrusión. Actualmente los materiales piezoeléctricos predominantes en el mercado son las cerámicas piezoeléctricas tipo PZT con sus diversas variaciones. Otras como las compuestas por PT (PbTiO3) y el PMN (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3) son utilizadas en dispositivos que con catacterísticas especiales, como los transductores para alta temperatura.
Funcionamiento[edit]
El efecto piezoeléctrico es un fenómeno físico que presentan algunos cristales debido al cual, aparece una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre ciertas caras del cristal cuando éste se somete a una deformación mecánica y se denomina efecto piezoeléctrico directo (si ocurre al contrario, se trata del efecto piezoeléctrico inverso).[5]
Cuando se aplica una tensión mecánica sobre el cristal, los átomos ionizados (cargados) presentes en la estructura de cada celda de formación del cristal se desplazan, provocando la aparición de cargas en las superficies del material. Debido a la regularidad de la estructura cristalina, y como los efectos de deformación de la celda suceden en todas las celdas del cuerpo del cristal, estas cargas se suman y se produce una acumulación de la carga eléctrica, produciendo una diferencia de potencial eléctrico entre determinadas caras del cristal que puede ser muchos voltios.
El efecto se produce únicamente en cristales que no tienen un centro de simetría en la celda unidad (centro simétrico), es decir, el centro de cargas negativas no puede coincidir con el de centro de cargas positivas a nivel de la celda unitaria. Esta asimetría en las cargas es la que da lugar a la formación de dipolos y a esa disposición se la denomina estructura de perovskita.
El hecho de que existan dipolos en el cristal, hace posible que al aplicar un campo eléctrico sobre el material, la estructura cristalina se deforme, expandiéndose o contrayéndose dependiendo de la dirección de la corriente y que al aplicar una fuerza sobre el cristal, sufriendo este una deformación mecánica, se genere un desplazamiento eléctrico de los dipolos, creándose una diferencia de potencial entre sus extremos. Esta diferencia de potencial entre los extremos es la denominada piezoelectricidad y los materiales que presentan esa propiedad son los materiales piezoeléctricos.
Dentro de este tipo de materiales, se pueden distinguir el grupo de los que poseen el carácter piezoeléctrico de forma natural (como el cuarzo, la turmalina o las sales de Rochelle), que suelen presentar un carácter más débil y el grupo que presenta propiedades piezoeléctricas después de ser sometidos a un proceso de polarización, las cerámicas piezoeléctricas (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales mono cristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de micro cristales orientados), llamados ferro eléctricos.[6]
Las cerámicas piezoeléctricas son cuerpos macizos semejantes a las utilizadas en aisladores eléctricos, ellas están constituidas por innumerables cristales ferroeléctricos microscópicos llegando a denominarse como policristalinas. Particularmente en las cerámicas del tipo PZT, esos pequeños cristales poseen estructuras cristalinas tipo perovskita, pudiendo presentar simetría tetragonal, romboédrica o cúbica simples, teniendo en cuenta la temperatura en la que el material se encuentre.
Referencias[edit]
- ^ Gallego, J.: «Piezoelectric ceramics and ultrasonic transducers», artículo en Journal of Physics. E: Sci. Instrum., 22, págs. 804-816, 1989.
- ^ Suslick, K. S.: «The chemical effects of ultrasound», Scientific American, febrero de 1989.
- ^ Cady, W. G.: Piezoelectricity: an introduction to the theory and applications of electromechanical phenomena in crystals. Dover Press, 1964.
- ^ «History of piezoelectricity», artículo en inglés en el sitio web de la empresa Piezo Systems, Inc.
- ^ «Piezoelectric ceramic for sonar transducers (hydrophones & projectors)». Military Standard US DOD MIL STD 1376 A (SH), 1984.
- ^ «The piezoelectric effect: fundamentals of piezoelectricity and piezoelectric actuators», artículo en el sitio web Physik Instrumente.
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