El efecto piezoeléctrico fue descubierto por los científicos franceses los hermanos Curie a finales del siglo XIX. En ese momento, era demasiado pronto para hablar sobre la aplicación práctica del fenómeno descubierto, pero en la actualidad, los elementos piezoeléctricos se utilizan ampliamente tanto en la tecnología como en la vida cotidiana.
Contenido
La esencia del efecto piezoeléctrico.
Famosos físicos han establecido que cuando algunos cristales (cristal de roca, turmalina, etc.) se deforman, surgen cargas eléctricas en sus caras. Al mismo tiempo, la diferencia de potencial era pequeña, pero los dispositivos que existían en ese momento la fijaron con confianza, y al conectar secciones con cargas polares opuestas usando conductores, fue posible obtener electricidad. El fenómeno se fijó solo en la dinámica, en el momento de la compresión o el estiramiento. La deformación en el modo estático no provocó un efecto piezoeléctrico.
Pronto, el efecto contrario se justificó teóricamente y se descubrió en la práctica: cuando se aplicaba un voltaje, el cristal se deformaba.Resultó que ambos fenómenos están interconectados: si una sustancia exhibe un efecto piezoeléctrico directo, entonces lo contrario también es inherente a ella, y viceversa.
El fenómeno se observa en sustancias con una red cristalina de tipo anisotrópico (cuyas propiedades físicas son diferentes según la dirección) con suficiente asimetría, así como algunas estructuras policristalinas.
En cualquier cuerpo sólido, las fuerzas externas aplicadas provocan deformaciones y tensiones mecánicas, y en sustancias con efecto piezoeléctrico, también provocan polarización de cargas, y la polarización depende de la dirección de la fuerza aplicada. Al cambiar la dirección de exposición, cambian tanto la dirección de polarización como la polaridad de las cargas. La dependencia de la polarización de la tensión mecánica es lineal y se describe mediante la expresión P=dt, donde t es la tensión mecánica y d es un coeficiente llamado módulo piezoeléctrico (piezoelectric module).
Un fenómeno similar ocurre con el efecto piezoeléctrico inverso. Cuando cambia la dirección del campo eléctrico aplicado, cambia la dirección de la deformación. Aquí la dependencia también es lineal: r=dE, donde E es la intensidad del campo eléctrico yr es la deformación. El coeficiente d es el mismo para efectos piezoeléctricos directos e inversos para todas las sustancias.
De hecho, las ecuaciones anteriores son solo estimaciones. Las dependencias reales son mucho más complicadas y también están determinadas por la dirección de las fuerzas en relación con los ejes del cristal.
Sustancias con efecto piezoeléctrico.
Por primera vez, el efecto piezoeléctrico se encontró en cristales de roca (cuarzo). Hasta el día de hoy, este material es muy común en la producción de elementos piezoeléctricos, pero no solo se utilizan materiales naturales en la producción.
Muchos piezoeléctricos están hechos de sustancias con la fórmula ABO.3, por ejemplo, BaTiO3, РbТiO3. Estos materiales tienen una estructura policristalina (que consta de muchos cristales) y, para darles la capacidad de exhibir un efecto piezoeléctrico, deben someterse a polarización utilizando un campo eléctrico externo.
Existen tecnologías que permiten obtener piezoeléctricos de película (fluoruro de polivinilideno, etc.). Para darles las propiedades necesarias, también deben polarizarse durante mucho tiempo en un campo eléctrico. La ventaja de tales materiales es un espesor muy pequeño.
Propiedades y características de las sustancias con efecto piezoeléctrico.
Dado que la polarización ocurre solo durante la deformación elástica, una característica importante de un piezomaterial es su capacidad para cambiar de forma bajo la acción de fuerzas externas. El valor de esta capacidad está determinado por el cumplimiento elástico (o rigidez elástica).
Los cristales con efecto piezoeléctrico son muy elásticos: cuando se elimina la fuerza (o el estrés externo), vuelven a su forma original.
Los piezocristales también tienen su propia frecuencia de resonancia mecánica. Si haces que el cristal vibre a esta frecuencia, la amplitud será especialmente grande.
Dado que el efecto piezoeléctrico se manifiesta no solo por cristales enteros, sino también por láminas de ellos cortadas bajo ciertas condiciones, es posible obtener piezas de sustancias piezoeléctricas con resonancia a diferentes frecuencias, dependiendo de las dimensiones geométricas y la dirección del corte.
Además, las propiedades vibratorias de los materiales piezoeléctricos se caracterizan por un factor de calidad mecánica. Muestra cuántas veces aumenta la amplitud de las oscilaciones a la frecuencia resonante con una fuerza aplicada igual.
Existe una clara dependencia de las propiedades de un piezoeléctrico con la temperatura, que debe tenerse en cuenta al utilizar cristales. Esta dependencia se caracteriza por los coeficientes:
- el coeficiente de temperatura de la frecuencia resonante muestra cuánto desaparece la resonancia cuando el cristal se calienta/enfría;
- el coeficiente de expansión de temperatura determina cuánto cambian las dimensiones lineales de la placa piezoeléctrica con la temperatura.
A cierta temperatura, el piezocristal pierde sus propiedades. Este límite se llama temperatura de Curie. Este límite es individual para cada material. Por ejemplo, para el cuarzo es +573 °C.
Uso práctico del efecto piezoeléctrico
La aplicación más famosa de los elementos piezoeléctricos es como elemento de encendido. El efecto piezoeléctrico se utiliza en encendedores de bolsillo o encendedores de cocina para cocinas a gas. Cuando se presiona el cristal, surge una diferencia de potencial y aparece una chispa en el entrehierro.
Esta área de aplicación de los elementos piezoeléctricos no está agotada. Los cristales con un efecto similar se pueden usar como medidores de tensión, pero esta área de uso está limitada por la propiedad del efecto piezoeléctrico de aparecer solo en dinámica: si los cambios se detienen, la señal deja de generarse.
Los piezocristales se pueden usar como micrófono: cuando se exponen a ondas acústicas, se forman señales eléctricas. El efecto piezoeléctrico inverso también permite (a veces simultáneamente) el uso de tales elementos como emisores de sonido. Cuando se aplica una señal eléctrica al cristal, el elemento piezoeléctrico comenzará a generar ondas acústicas.
Dichos emisores se utilizan ampliamente para crear ondas ultrasónicas, en particular, en tecnología médica. A este también se pueden utilizar las propiedades resonantes de la placa.Puede usarse como un filtro acústico que selecciona solo ondas de frecuencia natural. Otra opción es utilizar un elemento piezoeléctrico en un generador de sonido (sirena, detector, etc.) simultáneamente como elemento de ajuste de frecuencia y emisor de sonido. En este caso, el sonido siempre se generará a la frecuencia resonante, y se puede obtener el máximo volumen con poco consumo de energía.
Las propiedades de resonancia se utilizan para estabilizar las frecuencias de los generadores que operan en el rango de radiofrecuencia. Las placas de cuarzo desempeñan el papel de circuitos oscilatorios altamente estables y de alta calidad en los circuitos de ajuste de frecuencia.
Todavía hay proyectos fantásticos para convertir la energía de deformación elástica en energía eléctrica a escala industrial. Puede utilizar la deformación del pavimento bajo la influencia de la gravedad de los peatones o los automóviles, por ejemplo, para iluminar secciones de las vías. Puede utilizar la energía de deformación de las alas de la aeronave para proporcionar la red de aeronaves. Dicho uso está limitado por la eficiencia insuficiente de los elementos piezoeléctricos, pero ya se han creado plantas piloto y han mostrado la promesa de mejoras adicionales.
Artículos similares:
