Piezoelectricidad

Piezoelectricidad
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Un disco piezoeléctrico genera un voltaje cuando se deforma.

La piezoelectricidad (del griego piezein, "estrujar o apretar") es un fenómeno que ocurre
en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, adquieren en
su masa una polarización eléctrica, apareciendo una diferencia de potencial y cargas
eléctricas en su superficie. Los cristales de cuarzo se comportan de forma similar a los
tanques LC, y también se les conoce como Resonador de cristal, con la ventaja de poder
generar frecuencias de oscilación estables e insensibles.
Este fenómeno también ocurre a la inversa: se deforman bajo la acción de fuerzas internas
al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible:
al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su
forma.
Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que carecen de centro
de simetría. Una compresión o un cizallamiento provocan disociación de los centros de
gravedad de las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas. Como consecuencia, en
la masa aparecen dipolos elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas
surgen cargas de signo opuesto.
Índice
 1Piroelectricidad
 2Grupos de material piezoeléctrico
 3Historia de los materiales piezoeléctricos
 4Clases de cristales de sustancias que contienen piezoelectricidad
 5Ecuaciones de la piezoelectricidad
 6Usos
 7Materiales
 8Aplicaciones
 9Véase también
 10Referencias
 11Enlaces externos
Piroelectricidad[editar]
En 1824, sir David Brewster demostró efectos piezoeléctricos utilizando sal de La
Rochelle,1 decidiendo nombrar el efecto piroelectricidad.2
Grupos de material piezoeléctrico[editar]

Existen dos grupos de materiales:
 Los de naturaleza piezoeléctrica primigenia: cuarzo, turmalina, etcétera.

 Los denominados ferroeléctricos: tantalato de litio, nitrato de litio, berlinita, en
forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares, que tras ser
sometidos a polarización adquieren propiedades piezoeléctricas, ya
como microcristales orientados.
Historia de los materiales piezoeléctricos[editar]

La propiedad de la piezoelectricidad fue observada por primera vez por Pierre y Jacques
Curie en 1881 estudiando la compresión del cuarzo. Al someterlo a la acción mecánica de
la compresión, las cargas de la materia se separan. Esto propicia una polarización de la
carga, lo cual causa que salten chispas.
Para que en la materia ocurra la propiedad de la piezoelectricidad debe cristalizar en
sistemas que carezcan de centro de simetría (que posean disimetría) y, por lo tanto,
de eje polar. De las 32 clases cristalinas, en 21 no existe el centro mencionado. En 20 de
estas clases ocurre la propiedad piezoeléctrica, en mayor o menor medida. Los gases,
los líquidos y los sólidos con simetría no poseen piezoelectricidad.
Si se ejerce presión en los extremos del eje polar se produce polarización: flujo
de electrones se dirige hacia un extremo y genera en él una carga negativa, mientras que
en el extremo opuesto se induce una carga positiva.
Cuando se utilizan láminas de cristal estrechas y de gran superficie, el alto voltaje obtenido
–necesario para que salte la chispa– es mayor. Las láminas estrechas se cortan de
manera que el eje polar cruce perpendicularmente dichas caras.
La corriente generada es proporcional al área de la placa y a la rapidez de la variación de
la presión aplicada ortogonalmente a la superficie de la placa.
Otra aplicación importante de la piezoelectricidad resulta por cumplirse la propiedad
inversa:
 Si la placa de material piezoeléctrico se somete a una tensión variable, se

comprime y se relaja, oscilando a los impulsos de una señal eléctrica.
 Cuando esta placa está en contacto con un fluido le transmite sus vibraciones y
produce ultrasonidos.
La primera aplicación práctica de la piezoelectricidad, que surge de la cualidad de
transformar una señal mecánica (presión) en una señal eléctrica (corriente eléctrica), es la
del sónar.
Al final de la Primera guerra mundial se descubrió que las ondas sonoras producidas por
los submarinos podían ser detectadas por un trozo de cuarzo sumergido en el agua, en el
que se medían las corrientes generadas y posibilitaba la detección de la dirección
proveniente del sonido.
El sónar consta de una sonda (piezoeléctrico) que es un transductor; es decir: funciona
según la sucesión de eventos siguiente:
 Emite vibraciones que producen ondas ultrasónicas en el agua en la dirección del

eje polar; es decir: recibe su eco.
 El emisor se mueve para que la onda emitida «barra» el espacio hasta localizar la
dirección en que se encuentra el obstáculo.
 El eco recibido golpea el cristal piezoeléctrico y produce una corriente eléctrica.
 Finalmente, el dato de la distancia a la cual se encuentra el obstáculo que reemite
un eco se obtiene aplicando los cálculos derivados de la teoría del efecto Doppler.
Clases de cristales de sustancias que contienen

piezoelectricidad[editar]
Dentro de los 32 grupos cristalográficos existen 21 que no tienen centro de simetría. De
estos, unos 20 exhiben directamente piezoelectricidad (la número 21 es la clase cúbica
432). Diez de ellos son polares; es decir: presentan polarización instantánea, debido a que
en su celda unidad contienen un dipolo eléctrico, y el material exhibe piroelectricidad. De
estos –cuando la dirección del dipolo puede invertirse mediante aplicación de un campo
eléctrico– algunos son además ferroeléctricos. Las clases cristalográficas son:
 Clases cristalográficas piezoeléctricas: 1, 2, m, 222, mm², 4, -4, 422, 4mm,

-42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m.
 Clases cristalográficas piroeléctricas: 1, 2, m, mm², 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.
Ecuaciones de la piezoelectricidad[editar]
Las ecuaciones constitutivas de los materiales piezoeléctricos
combinan tensiones, deformaciones y comportamiento eléctrico:
D es la densidad de flujo eléctrico, es la permitividad y E es el campo eléctrico:
S es la deformación y T es la tensión.
Estas ecuaciones pueden combinarse en una sola ecuación donde se considera la
relación entre carga y deformación:
d representa las constantes piezoeléctricas del material, y
el superíndice E indica que la magnitud está medida bajo campo eléctrico
constante o cero, y el superíndice T señala que se trata de una forma
traspuesta de matriz.
Esto se puede reescribir en forma matricial así:
Usos[editar]
Uno de los usos más extendidos de este tipo de cristales sucede
en los encendedores eléctricos. En su interior llevan un cristal
piezoeléctrico al cual golpea bruscamente el mecanismo de
encendido. Este golpe seco provoca una elevada concentración
de carga eléctrica, capaz de crear un arco voltaico o chispa, que
enciende el mechero.
Otra aplicación importante de un cristal piezoeléctrico es su
utilización como sensor de vibración. Cada una de las variaciones
de presión producidas por la vibración provoca un pulso de
corriente proporcional a la fuerza ejercida.
Fácilmente se ha convertido una vibración mecánica en una señal
eléctrica lista para amplificar. Basta conectar un cable eléctrico a
cada una de las caras del cristal y enviar esta señal hacia un
amplificador. Por ejemplo, en pastillas piezoeléctricas de guitarra.
Una aplicación adicional muy importante de la piezoelectricidad,
pero en este caso al revés, sucede en los inyectores de
combustible de los motores de combustión interna. Al aplicarse
una diferencia de potencial a un material piezoeléctrico se
consigue abrir el inyector, lo cual permite al combustible, a muy
alta presión, entrar en el cilindro. El uso de inyectores
piezoeléctricos posibilita controlar, con enorme precisión, los
tiempos de inyección y la cantidad de combustible que se
introduce en el motor. Ello redunda en mejoras en consumo,
prestaciones y rendimiento de distintos motores.
Materiales[editar]
Materiales utilizados en electrónica:
 Cuarzo
 Rubidio
 Sal de Seignette
 Cerámicas
 Cerámica piezoeléctrica
 Cerámica técnica
Aplicaciones[editar]
 Altavoces de agudos (tweeters: pequeños altavoces).
 Cápsula (pick-up) de tocadiscos.
 Mecheros eléctricos
 Encendido electrónico de calefones y estufas a gas.
 Oscilador de cristal
 Sensores
 Transductores ultrasónicos (como los cabezales de
los ecógrafos).
 Transductor piezoeléctrico
 Transformadores piezoeléctricos.
 Destartradores odontológicos de ultrasonido, para remoción
del tártaro o "sarro" interdental.
Véase también[editar]
 Ferroelectricidad
 Microbalanza de cristal de cuarzo
Referencias[editar]
1. ↑ «A Short History of Ferroelectricity». Talari.com. 4 de
diciembre de 2009. Consultado el 4 de mayo de 2016.
2. ↑ Brewster, David (1824). «Observations of the pyro-electricity
of minerals». The Edinburgh Journal of Science 1: 208-215.
https://es.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricidad
Los paseos por la ciudad podrían convertirse en una fuente de energía
Instalació n de Pavegen.
La fuerza de una pisada, el rodar de un auto, incluso, el caer de las gotas
de lluvia son vetas de energía que pueden ser explotadas. ¿Es posible
hacerlo? ¿Vale la inversión, el gasto? La piezo electricidad es un
fenómeno natural que ha sido –por décadas– empleado en beneficio de
la sociedad. Su instalación como cubierta de calles permitiría cosechar
energía que, de lo contrario, sería desperdiciada. Imaginemos que
nuestro andar diario del hogar al trabajo pudiera ser transformado en la
luz que alumbre las calles por la noche, que la marcha diaria de los miles
o de los millones que habitamos las grandes ciudades sea la fuente que
alimente a la ciudad misma. Parece una utopía energética, pero una
utopía que pueda avanzar de calle en calle.
Hay que entender la naturaleza de este fenómeno que podría convertirse

en una fuente complementaria de energía. El cristal piezoeléctrico es
electricamente neutro, es decir, sus cargas se encuentran perfectamente
balanceadas, pero al ejercer una fuerza sobre él, el cristal se deforma –
incluso aunque sea a un nivel no perceptible a nuestro ojo– y el balance
se rompe produciendo como consecuencia una carga eléctrica. Es decir,
cualquier fuerza mecánica que se aplique sobre un cristal piezoeléctrico
produce una carga eléctrica.
La piezoelectricidad tiene muchos usos en la vida cotidiana: los

micrófonos son piezo eléctricas, reciben las ondas producidas por el
sonido y las convierten en energía que después es traducida en sonido.
También son utilizados para producir chispas en un encendedor, e
incluso en la tecnología de la salud con los equipos de ultrasonido. Ahora
también podría estar presente en las calles por las que andamos.
Una primera prueba en México

El Corredor Madero, en el Centro Histórico de la Ciudad de México es
quizá la calle peatonal más transitada en el país con un flujo calculado de
250 mil personas por hora, cuando más concurrida se encuentra. La
aglomeración de personas sobre ella es un fiel reflejo de la situación
demográfica de la ciudad que, no obstante, podría ser aprovechada
beneficiosamente. Alumnas del Instituto Politécnico Nacional (IPN) han
propuesto la instalación de un piso piezoeléctrico en el corredor Madero
que aprovecharía la energía de los millones de pasos dados sobre de la
turística y emblemática calle. Se requerirán 16 mil 624 placas
piezoeléctricas para generar 57 mil 452.54 kilowatt s al día, del cual sólo
el 1% de esa energía sería suficiente para alimentar las luminarias que
alumbran el corredor. El resto podría ser suministrada a la red eléctrica.
https://www.iluminet.com/piezoelectricidad-luz-energia/
Corredor Madero en el Centro Histó rico de la Ciudad de México.
Este tipo de cubiertas de suelo productoras de energía ya han sido
instaladas en otras partes del mundo, pero seguramente pocas son tan
concurridas como el Corredor Madero. La implementación de esta
tecnología podría convertirse un ejemplo del uso inteligente del espacio
público y de la dinámica urbana.
Tal vez las posibilidades y las respuestas para ayudar a hacer de nuestro
mundo uno más eficiente no se encuentre exclusivamente en la
invención de nuevas y novedosas tecnologías. ¿Por qué no echar una
mirada a lo que ha existido por años, por décadas, y reinventarlo para
nuevos usos? La creatividad no está sólo en la invención de lo nuevo,
sino –y quizá aún más difícil– encontrar otros usos a lo que ya existe.
https://www.youtube.com/watch?v=x8glBIKKm7E
https://www.youtube.com/watch?v=TiO9IBxllOM
https://www.youtube.com/watch?v=18IvTRfbANg
https://www.sostenibilidad.com/vida-sostenible/que-es-la-piezoelectricidad/?
_adin=02021864894
https://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/18605/TESIS_PISO_GENERAD
OR.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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Grupos de material piezoeléctrico[editar]

 Los de naturaleza piezoeléctrica primigenia: cuarzo, turmalina, etcétera.

Historia de los materiales piezoeléctricos[editar]

 Si la placa de material piezoeléctrico se somete a una tensión variable, se

 Emite vibraciones que producen ondas ultrasónicas en el agua en la dirección del

Clases de cristales de sustancias que contienen

 Clases cristalográficas piezoeléctricas: 1, 2, m, 222, mm², 4, -4, 422, 4mm,

Hay que entender la naturaleza de este fenómeno que podría convertirse

La piezoelectricidad tiene muchos usos en la vida cotidiana: los

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