La piezoelectricidad La piezoelectricidad es la capacidad de algunos materiales (notablemente cristales y seguro cerámica) para generarpotencial eléctrico[1] en respuesta a mecánico aplicado tensión. Esto puede tome la forma de una separación de carga eléctricaa través de enrejado cristalino. Si no es el material cortocircuitos, la carga aplicada induce a voltaje a través del material. La palabra se deriva de Griego piezein, que significa exprimir o presión. El efecto piezoeléctrico es reversible en ése exhibición de los materiales efecto piezoeléctrico directo (la producción de la electricidad cuando se aplica la tensión) también exhiba efecto piezoeléctrico inverso (la producción de la tensión y/o tensióncuando se aplica un campo eléctrico). Por ejemplo, titanate del zirconate del plomo los cristales exhibirán un cambio máximo de la forma de cerca de 0.1% de la dimensión original Propiedad quer exhiben ciertos minerales de producir una diferencia de potencial cuando son sometidos a compresión, tracción o torsión. Efecto piezoeléctrico, fenómeno físico por el cual aparece una diferencia de potencial eléctrico entre las caras de un cristal cuando éste se somete a una presión mecánica. El efecto funciona también a la inversa: cuando se aplica un campo eléctrico a ciertas caras de una formación cristalina, ésta experimenta distorsiones mecánicas. Pierre Curie y su hermano Jacques descubrieron este fenómeno en el cuarzo y la sal de Rochelle en 1880 y lo denominaron 'efecto piezoeléctrico' (del griego piezein, 'presionar'). El efecto piezoeléctrico se produce en varias sustancias cristalinas como el bario, el titanio o la turmalina. El efecto se explica por el desplazamiento de iones en cristales que tienen una celda unitaria asimétrica (la celda unitaria es el poliedro más simple que compone la estructura de un cristal). Cuando se comprime el cristal, los iones de las celdas se desplazan, provocando la polarización eléctrica de la misma. Debido a la regularidad de la estructura cristalina, estos efectos se acumulan, produciendo una diferencia de potencial eléctrico entre determinadas caras del cristal. Cuando se aplica al cristal un campo eléctrico externo, los iones de cada celda son desplazados por las fuerzas electrostáticas, produciendo una deformación mecánica. Dada su capacidad de convertir la deformación mecánica en voltaje eléctrico y un voltaje eléctrico en movimiento mecánico, los cristales piezoeléctricos se utilizan en dispositivos como los transductores, que se emplean en la reproducción de discos, y en los micrófonos. Los cristales piezoeléctricos también se usan como resonadores en osciladores electrónicos y amplificadores de alta frecuencia ya que, si se tallan estos cristales de una determinada manera, la frecuencia de resonancia es estable y bien definida Cristales naturales
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berlinite (AlPO4), un mineral raro del fosfato que es estructural idéntico al cuarzo azúcar de bastón cuarzo Sal de Rochelle topaz minerales del tourmaline-grupo
Otros materiales naturales
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Hueso ueso::
El hueso seco exhibe algunas características piezoeléctricas debido a apatita los cristales, y el efecto piezoeléctrico se piensa generalmente para actuar como sensor biológico de la fuerza.[2][3] fuerza.[2][3] Este efecto fue explotado por la investigación conducida en la universidad de Pennsylvania en los últimos años 70 y el 80s temprano que estableció que el uso sostenido del potencial eléctrico podría estimular la resorción y el crecimiento (dependiendo de la polaridad) del hueso in vivo. [4]
Cristales artificiales
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orthophosphate del galio (GaPO4), un cristal analógico del cuarzo Langasite (La3Ga5SiO14), un cristal analógico del cuarzo
Cerámica artificial La familia de cerámica con perovskite o tungsteno tungsteno--bronce la piezoelectricidad de los objetos expuestos de las estructuras:
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titanate del bario (BaTiO3) - el titanate del bario era el primer de cerámica piezoeléctrico descubierto. titanate del plomo (PbTiO3) titanate del zirconate del plomo (Pb[Zr x Ti1 x ]O3 0< x <1) - conocido más comúnmente como PZT , el titanate del zirconate del plomo es el funcionando de cerámica piezoeléctrico más común hoy. niobate del potasio (KNbO3) niobate del litio (LiNbO3) tantalate del litio (LiTaO3) tungstate del sodio (NaxWO3) Ba2NaNb5O5 Pb2KNb5O15
Polímeros
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Fluoruro
del Polyvinylidene (PVDF): PVDF exhibe la piezoelectricidad cuarzo mayor que de varias veces. Desemejante de la cerámica, donde la estructura cristalina del material crea el efecto piezoeléctrico, en polímeros las moléculas de larga cadena intertwined atraen y se rechazan cuando se aplica un campo eléctrico.
Piezoceramics sin plomo Más recientemente, está creciendo el preocupación con respecto a la toxicidad en los dispositivos que contien plomo conducidos por el resultado de restricción de las sustancias peligrosas directivas regulaciones. Por lo tanto, hay un insurgence enorme en el desarrollo compositivo de materiales piezoeléctricos sin plomo. y
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Niobate del potasio del sodio (KNN). En 2004, Saito El Al. [5] han encontrado para la composición cerca de MPB, las características del material están cerca de cerámica de PZT, y su temperatura de curie es también alta. Para una cerámica grano-orientada puede estar el fósforo a esas composiciones modificadas grado óptimo de PZT. Ferrita
del bismuto (BiFeO3) está también un candidato prometedor a cerámica conducir-basada reemplazo.
Usos Los cristales piezoeléctricos ahora se utilizan en maneras numerosas: Fuentes
del alto voltaje y de energía
La piezoelectricidad directa de algunas sustancias tiene gusto del cuarzo, como mencionado arriba, puede generar diferencias potenciales de millares de voltios. y
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El uso más conocido es el cigarrillo eléctrico más ligero: presionar el botón hace un martillo por resorte golpear un cristal piezoeléctrico, produciendo un suficientemente de alto voltaje que la corriente eléctrica fluye a través de un pequeñoboquete de chispa, así calefacción y encender el gas. Los sparkers portables usados para encenderse gas las parrillas o las estufas trabajan la misma manera, y muchos tipos de quemadores de gas ahora tienen sistemas de ignición piezo-basados incorporados. Una idea similar se está investigando cerca DARPA en Estados Unidos en un proyecto llamado El cosechar de la energía, que incluye una tentativa de accionar el equipo del campo de batalla por los generadores piezoeléctricos encajó adentrosoldados'cargadores. Sin embargo, este la energía que cosecha fuentes por la asociación tiene un impacto en el cuerpo. El esfuerzo de DARPA de enjaezar 1-2 vatios del zapato continuo afecta mientras que eran caminaban abandonada debido a la impracticalidad y al malestar de la energía adicional expendida por una persona que usaba los zapatos. La otra energía que cosecha ideas incluye cosechar la energía de los movimientos humanos en estaciones de tren u otros lugares del público[6][7]. Un piezoeléctrico transformador es un tipo de multiplicador del voltaje ca. Desemejante de un transformador convencional, que utiliza el acoplador magnético entre la entrada y la salida, el
transformador piezoeléctrico utiliza acústico acoplador. Un voltaje de entrada se aplica a través de una longitud corta de una barra del material piezoceramic por ejemplo PZT, creando una tensión que se alterna en la barra por el efecto piezoeléctrico inverso y haciendo la barra entera vibrar. La frecuencia de la vibración se elige para ser resonante frecuencia del bloque, típicamente en los 100 kilociclos a 1 megaciclos gama. Un voltaje más alto de la salida entonces es generado a través de otra sección de la barra por el efecto piezoeléctrico. Los cocientes elevadores más que 1000:1 se han demostrado. Una característica adicional de este transformador es que, funcionándola sobre su frecuencia resonante, puede ser hecha para aparecer como inductivocargue, que es útil en los circuitos que requieren un comienzo suave controlado.[1] Estos dispositivos se pueden utilizar en inversores de DC-AC para conducir lámparas fluorescentes del cátodo frío. Los transformadores de Piezo son algunas de las fuentes de alto voltaje más compactas.
ferroelectricidad Se sabe que la ferroelectricidad es un fenómeno cooperativo de dipolos eléctricos interactuantes, detectado a través de mediciones eléctricas. La medición eléctrica a un material ferroeléctrico una vez que el voltaje externo es retirado es la obtención de su curva de histéresis. La polarización no se puede conocer directamente a partir de mediciones de carga, debido a que el material podría tener eventualmente una polarización neta igual a cero o carga neta igual a cero, que es un estado de mínima energía libre al cual siempre tiende este tipo de materiales. Por tanto, para medir esta propiedad es necesario aplicar campos eléctricos externos. Cuando se aplica un campo eléctrico externo al material los dipolos eléctricos se alinearán en dirección del campo eléctrico aplicado, pero cuando se deja de aplicar el campo eléctrico no todos los dipolos vuelven a su estado de mínima energía, sino que muchos quedan apuntando en la dirección en que el campo se había aplicado; esta es la propiedad clave de los materiales ferroeléctricos. Por lo tanto los materiales ferroeléctricos presentan una polarización neta sin tener un campo eléctrico externo aplicado, y por eso estos materiales pueden retener información digital sin fuentes externas, por lo que su aplicación más importante es en memorias móviles tipo USB (pendrive). Cuando se aplica un campo eléctrico variable a un material ferroeléctrico, entre un valor máximo positivo y un valor máximo negativo, se puede graficar en un osciloscopio la polarización versus el campo aplicado, que es la curva de histéresis, la cual da cuenta de que el campo eléctrico nulo posee una polarización remanente (Pr) y el campo eléctrico máximo posee una polarización espontánea (Ps). Se encuentra ferroelectricidad en un sinnúmero de materiales, incluso en polímeros, pero solamente unos pocos materiales están siendo investigados con respecto a la disminución del tamaño para la integración en memorias no-volátiles de alta densidad. La demanda científica y tecnológica reduce el número de candidatos para aplicaciones en memorias, debido a parámetros del material, confiabilidad y compatibilidad con los típicos procesos de fabricación. Las propiedades favorables serían una polarización remanente (Pr) grande, que debería proporcionar una corriente de desplazamiento grande; así mismo, una buena curva de histéresis debería ser cuadrada y el voltaje de operación debería ser un valor bajo (menor a 5 V), para compatibilizar los voltajes de operación de computadores móviles o PC. Pero la ferroelectricidad va decreciendo a medida que una o más dimensiones del ferroeléctrico van disminuyendo o, más exactamente, a medida que el tamaño de granos va disminuyendo. En otras palabras, este efecto de tamaño indica que la ferroelectricidad debería desaparecer en alguna dimensión crítica. Un valor razonable obtenido de la experimentación es que se ha encontrado ferroelectricidad alrededor de 50 nm (1 nm [nanómetro] es 1.000 veces menor que el micrómetro). Por tanto, si se quiere fabricar memorias ferroeléctricas, se debe tener presente que
memorias de alta densidad (gran cantidad de megabytes [Mb]) significa menor dimensión del ferroeléctrico, lo cual disminuye la polarización remanente. Un parámetro aún no explorado es la morfología de los materiales ferroeléctricos, lo que significa que si estos materiales se fabrican tipo alambres o tubos, la ferroelectricidad podría confinarse en la dirección axial o perpendicular al alambre o tubo. Una aplicación importante que se ha pensado sobre memorias ferroeléctricas de alta densidad (Gb) sería fabricar computadores con discos duros enteramente de memorias ferroeléctricas, de tal modo que al apagarlos conserve su trabajo tal cual lo dejó, debido a que no habrá pérdida de información por corte de energía. Pero esto todavía no es una realidad. ¿Qué materiales ferroeléctricos existen? Los materiales ferroeléctricos más comunes que existen son cerámicas; entre ellos están: Formula: (Sr,Ba)TiO3Abreviación: SBTNombre: Titanato de Bario Estroncio Formula:
Pb(Zr,Ti)O3 Abreviación: PZT Nombre: Titanato Zirconato de plomo Formula:
BaTiO3 Abreviación: BTO Nombre: Titanato de Bario Formula:
Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 Abreviación: PLZT Nombre: Titanato Zirconato de Plomo Lantamio Formula:
Bi4Ti3O12 Abreviación: BiT Nombre: Titanato de Bismuto Todos estos materiales son sintéticos y tienen dos propiedades importantes: piezoelectricidad y ferrrolectricidad. La piezoelectricidad es la aparición de un voltaje eléctrico debido a que el material realiza un esfuerzo mecánico. Muchos de los materiales ferroeléctricos son también piezoeléctricos. El titanato de bario (BaTiO3) es el más popular porque fue el primer compuesto sintetizado con características de ferroelectricidad, pero finalmente los compuesto usados para las memorias ferroeléctricas son PZT SBT, BiT y otros. Cuando se fabricaron los prototipos, estos compuestos eran los que tenían mejor confiabilidad en la práctica que el titanato de bario. A pesar de que la mayoría de los compuestos ferroeléctricos en estado sólido son cerámicos, existen excepciones porque se ha encontrado ferroelectricidad en sistemas biológicos.
