piezoelectricidadpiezoelectricidadPor: Jose Sepúlveda BasaezPor: Jose Sepúlveda Basaez

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Fono: 032-2583445Fono: 032-2583445

Concepto:Concepto:• La La piezoelectricidadpiezoelectricidad (del (del griegogriego piezeinpiezein, "estrujar o , "estrujar o

apretar") es un fenómeno presentado por apretar") es un fenómeno presentado por determinados determinados cristalescristales que al ser sometidos a que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctricapolarización eléctrica en su masa, apareciendo una en su masa, apareciendo una diferencia de potencialdiferencia de potencial y cargas eléctricas en su y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también se presenta a la superficie. Este fenómeno también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctricocampo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es . El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.recuperan su forma.

• Los Los materiales piezoeléctricosmateriales piezoeléctricos son cristales son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría. El efecto de una compresión o de simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedadcentros de gravedad de las cargas positivas de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este y de las cargas negativas. Aparecen de este modo modo dipolosdipolos elementales en la masa y, por elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas superficies enfrentadas

• Pueden distinguirse dos grupos de Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (piezoeléctrico de forma natural (cuarzocuarzo, , turmalinaturmalina) y los llamados ) y los llamados ferroeléctricosferroeléctricos, que , que presentan propiedades piezoeléctricas tras presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (ser sometidos a una polarización (tantalio de litiotantalio de litio, , nitrato de litionitrato de litio, , bernilitabernilita en en forma de materiales monocristalinos y forma de materiales monocristalinos y cerámicascerámicas o o polímerospolímeros polares bajo forma de polares bajo forma de microcristales orientados).microcristales orientados).

Clases de cristalesClases de cristales• Dentro de los 32 grupos cristalográficos existen 21 Dentro de los 32 grupos cristalográficos existen 21

que no tienen un centro de simetría, y de estos, que no tienen un centro de simetría, y de estos, unos 20 exhiben directamente piezoelectricidad (la unos 20 exhiben directamente piezoelectricidad (la número 21 es la clase cúbica 432). Diez de estos número 21 es la clase cúbica 432). Diez de estos son polares, es decir, presentan polarización son polares, es decir, presentan polarización instantánea debido a que contienen un instantánea debido a que contienen un dipolo eléctricodipolo eléctrico en su en su celda unidadcelda unidad, y el material , y el material exhibe exhibe piroelectricidadpiroelectricidad, de entre estos algunos son , de entre estos algunos son además además ferroeléctricosferroeléctricos cuando este dipolo puede cuando este dipolo puede invertirse la dirección del dipolo mediante la invertirse la dirección del dipolo mediante la aplicación de un campo eléctrico. Las clases aplicación de un campo eléctrico. Las clases cristalográficas son:cristalográficas son:

• Clases cristalográficas piezoeléctricasClases cristalográficas piezoeléctricas: 1, 2, m, : 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m.622, 6mm, -62m, 23, -43m.

• Clases cristalográficas piroeléctricasClases cristalográficas piroeléctricas: 1, 2, m, : 1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.

Ecuaciones:Ecuaciones:• Las ecuaciones constitutivas de los materiales Las ecuaciones constitutivas de los materiales

piezoeléctricos combinan piezoeléctricos combinan tensionestensiones, , deformacionesdeformaciones y y comportamiento eléctricocomportamiento eléctrico::

• donde donde DD es el es el desplazamiento eléctricodesplazamiento eléctrico, e es la , e es la permitividadpermitividad y y EE es el es el campo eléctricocampo eléctrico::

• donde donde SS es la es la deformacióndeformación y y TT es la es la tensióntensión..• Estas ecuaciones pueden combinarse en una Estas ecuaciones pueden combinarse en una

ecuación que considera la relación entre carga y ecuación que considera la relación entre carga y deformación:deformación:

• donde donde dd representa las constantes piezoeléctricas representa las constantes piezoeléctricas del material, y el superíndice del material, y el superíndice EE indica que la indica que la magnitud está medida bajo campo eléctrico magnitud está medida bajo campo eléctrico constante o cero, y el superíndice constante o cero, y el superíndice tt señala que se señala que se trata de una forma traspuesta de matriz.trata de una forma traspuesta de matriz.

Aplicaciones:Aplicaciones:• ActuadoresActuadores . .• Altavoces de agudos (Altavoces de agudos (TweetersTweeters), pequeños altavoces.), pequeños altavoces.• Cápsula (Cápsula (Pick-upPick-up) de tocadiscos.) de tocadiscos.• Encendido electrónico de calefons y estufas a gas.Encendido electrónico de calefons y estufas a gas.• Encendedores o mecheros eléctricos.Encendedores o mecheros eléctricos.• Filtros SAW.Filtros SAW.• Hidrófonos (Geofísica).Hidrófonos (Geofísica).• Líneas de retardo.Líneas de retardo.• Motores piezoeléctricos .Motores piezoeléctricos .• Sensores de vibración en guitarras eléctricas.Sensores de vibración en guitarras eléctricas.• Recarga automática de baterías para teléfonos móviles y Recarga automática de baterías para teléfonos móviles y

computadoras portátiles.computadoras portátiles.• Reguladores de presión proporcional neumáticos.Reguladores de presión proporcional neumáticos.• Reloj de cuarzo.Reloj de cuarzo.• Sensores .Sensores .• Transductores ultrasónicos (como los cabezales de los Transductores ultrasónicos (como los cabezales de los

ecógrafos).ecógrafos).• Transformador Piezoeléctrico.Transformador Piezoeléctrico.

• árbol artificial con dos funciones: generar árbol artificial con dos funciones: generar electricidad y juntar agua de lluvia. Diseñados por electricidad y juntar agua de lluvia. Diseñados por Anthony DiMari, estos arbolitos serán colocados Anthony DiMari, estos arbolitos serán colocados formando un pequeño bosque artificial y usarán la formando un pequeño bosque artificial y usarán la piezoelectricidad para generar energía. El piezoelectricidad para generar energía. El proyecto se conoce como Urban Field y también proyecto se conoce como Urban Field y también es capaz de generar energía eólica. es capaz de generar energía eólica.

Piroelectricidad:Piroelectricidad:• La piroelectricidad es el cambio en la polarización de un La piroelectricidad es el cambio en la polarización de un

material sometido a cambios de temperatura. Este tipo de material sometido a cambios de temperatura. Este tipo de fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados. polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados.

• Estos efectos han sido conocidos por el hombre desde hace Estos efectos han sido conocidos por el hombre desde hace muchos años, recibió este nombre de D. Brewster en 1824. muchos años, recibió este nombre de D. Brewster en 1824. Pero la investigación de la piroelectricidad en polímeros es Pero la investigación de la piroelectricidad en polímeros es relativamente nueva pues data de mediados del siglo XX, sin relativamente nueva pues data de mediados del siglo XX, sin embargo los resultados iniciales fueron pobres y no atractivos a embargo los resultados iniciales fueron pobres y no atractivos a nivel comercial. Grandes adelantos ocurrieron en 1971, con el nivel comercial. Grandes adelantos ocurrieron en 1971, con el descubrimiento de los efectos piroeléctricos en el fluoruro de descubrimiento de los efectos piroeléctricos en el fluoruro de polivinilideno PVDF por J.B. Bergman, J.H. y solamente después polivinilideno PVDF por J.B. Bergman, J.H. y solamente después de que el Dr. H. Kawai descubrió la piezoelectricidad en el de que el Dr. H. Kawai descubrió la piezoelectricidad en el mismo material.mismo material.

• Cualquier polímero amorfo puede ser piroeléctricoCualquier polímero amorfo puede ser piroeléctrico

piroelectricidadpiroelectricidad

• Termoelectricidad:• Este forma de generación de electricidad ocurre Este forma de generación de electricidad ocurre

cuando al unir dos metales diferentes y cuando al unir dos metales diferentes y someternos a temperaturas distintas en las someternos a temperaturas distintas en las uniones, se produce una corriente eléctrica, que uniones, se produce una corriente eléctrica, que es proporcional al gradiente de temperatura entre es proporcional al gradiente de temperatura entre las zonas mencionadas. A este fenómeno se le las zonas mencionadas. A este fenómeno se le conoce como efecto El efecto Seebeck. y es la conoce como efecto El efecto Seebeck. y es la base con la que funcionan algunos instrumentos base con la que funcionan algunos instrumentos como los termopares, aunque se usa poco para como los termopares, aunque se usa poco para fines de generación de potencia (no tengo ni idea fines de generación de potencia (no tengo ni idea de una planta generadora en el mundo que use de una planta generadora en el mundo que use este sistema). Pero si existen refrigeradores este sistema). Pero si existen refrigeradores especiales que usan un fenómeno especiales que usan un fenómeno complementario llamado efecto Peltier en donde complementario llamado efecto Peltier en donde esta unión bimetálica al ser sometida a una esta unión bimetálica al ser sometida a una corriente eléctrica se vuelve una bomba de calor.corriente eléctrica se vuelve una bomba de calor.

termoelectricidadtermoelectricidad

Conclusión:Conclusión:• Cualquier movimiento mecánico puede producir Cualquier movimiento mecánico puede producir

electricidad gracias al fenómeno de la electricidad gracias al fenómeno de la piezoelectricidad.piezoelectricidad.

• Todo medio contribuye a la generación de Todo medio contribuye a la generación de electricidad sin alterar el entorno.electricidad sin alterar el entorno.

• La autosuficiencia eléctrica residencial es posible.La autosuficiencia eléctrica residencial es posible.• La actividad humana y animal normal permite la La actividad humana y animal normal permite la

generación de electricidad.generación de electricidad.• Se pueden aprovechar energías liberadas de Se pueden aprovechar energías liberadas de

nuestra propia naturaleza a favor de la generación.nuestra propia naturaleza a favor de la generación.• Solo falta VOLUNTAD.Solo falta VOLUNTAD.

Fin presentaciónFin presentación