MATERIALES PIEZOELECTRICOS
Efecto piezoeléctrico: Los materiales piezoeléctricos pueden convertir la tensión mecánica en electricidad, y la electricidad en vibraciones mecánicas.
Un fenómeno físico observado de forma general en los sólidos consiste en que, cuando se les aplica un esfuerzo (compresión, torsión, esfuerzo cortante...), experimentan cierta deformación. El tensor que describe el esfuerzo aplicado, T (fuerza por unidad de superficie), y el que describe la deformación relativa que experimenta el sólido, S, están relacionados por los coeficientes de rigidez, c (también con estructura matemática de tensor), los cuales son propios del sólido (tanto de su naturaleza como de su forma):
T=c.S La misma relación puede ponerse de la siguiente forma: S =s.T Donde s = c-1 es el tensor de coeficientes de elasticidad. Por otra parte, el comportamiento dieléctrico de un sólido lineal está descrito por su tensor permisividad permisividad eléctrica eléctrica, ε, el cual relaciona el vector campo e léctrico, E, con el vector desplazamiento, D, que da cuenta de cómo se polariza el sólido: D=E.ε
Los materiales piezoeléctricos presentan una relación causa-efecto entre los fenómenos mecánicos y los fenómenos eléctricos, de forma que la polarización que presenta el sólido es función del campo eléctrico aplicado y también de los esfuerzos mecánicos. Así el vector D viene dado por D=ε.E+d.T
Donde d es el tensor de coeficientes piezoeléctricos. Por otra parte, también se da el fenómeno inverso: la deformación es función tanto de los esfuerzos mecánicos como del campo eléctrico aplicado. Es decir:
S=d* .E+s.T Donde d* es el tensor del efecto piezoeléctrico inverso (NO es el inverso del tensor d) y s es el tensor de elasticidad (el inverso del tensor de rigidez, c). También, como consecuencia de la fuerte conexión entre las propi edades mecánicas y las dieléctricas, los sólidos piezoeléctricos pueden resonar a ciertas frecuencias que dependen de la naturaleza del piezoeléctrico piezoeléctrico y de la forma forma geométrica geométrica del resonador. La interpretación física del fenómeno piezoeléctrico está relacionada con la deformación que se produce a nivel nivel atómico (desplazam (desplazamientos ientos de los iones iones que conforman conforman la estructura estructura cristalina) cristalina) como consecuencia de los esfuerzos mecánicos y/o los campos eléctricos aplicados. El efecto piezoeléctrico es anisótropo, es decir, depende de la dirección espacial en relación con los ejes del cristal. Para que una estructura cristalina sea susceptible de efecto piezoeléctrico, tiene que presentar como mínimo un eje polar, es decir, decir, el cristal no tiene tiene que poseer ningún centro de simetría. simetría. Esta condición la cumplen 20 clases de cristales, pero en muchos de ellos el efecto es demasiado pequeño para para que pueda pueda medirse medirse experimentalmen experimentalmente. te.
EQUIVALENTE ELECTRICO Un material piezoeléctrico trabajando cerca de la resonancia mecánica puede caracterizarse por el siguiente circuito.
La admitancia eléctrica de la vibración seria como se representa en la siguiente figura curva de resonancia:
El valor de fs es donde la admitancia es máxima, representada la frecuencia de resonancia serie. El minimo valor de admitancia, representa la frecuencia de resonancia paralelo, fp.
ACTUADORES DE POTENCIA Los generadores de potencia de ultrasonido, hasta 1000N,m se forman como podemos ver en la figura a modo de sándwich colocando discos de material piezoeléctrico y electrodos
de conductor dentro de un cilindro de acero. La tensión entre lo s electrodos hace que el material se expanda, provocando que todo el conjunto se extienda y contraiga.
PIEZOELECTRICOS MÁS USADOS El cuarzo: es un ejemplo de un cristal piezoeléctrico natural. Los cristales de cuarzo están hechos de átomos de silicio y oxígeno en un patrón repetitivo. En el cuarzo, los átomos de silicio tienen una carga positiva y los átomos de oxígeno tienen una carga negativa. Normalmente, cuando el cristal no está bajo ningún tipo de estrés externo, las cargas se dispersan uniformemente en las moléculas a través del cristal. Pero cuando el cuarzo se estira o exprime, el orden de los átomos cambia ligeramente. Este cambio causa que las cargas negativas negati vas se acumulen en un lado y las cargas positivas se acumulen en el lado opuesto. Cuando haces un circuito que conecta un extremo del cristal con el otro, puedes utilizar esta diferencia potencial para producir corriente. Entre más aprietas el cristal más fuerte será la corriente eléctrica. Por el contrario, enviar una corriente eléctrica a través del cristal cambia su forma.
METANIOBATO DE LITIO: El metaniobato de litio (LiNbOs) fue crecido por primera vez por MATHIAS y REMEIKA (1) en 1949. 19 49. Ya en este trabajo se puso de manifiesto el carácter ferroeléctrico de este compuesto, pero no fue hasta 1964, año en que se realizó un importante progreso en su crecimiento por el método de Czochralski, cuando empezó a adquirir una importancia creciente, tanto científica como tecnológica. Ebsde entonces las aplicaciones de este cristal han experimentado un aumento sorprendente. Sus propiedades electroópticas electroópticas fueron puestas de manifiesto por Peterson y col. Boyd y col encontraron un elevado coeficiente coeficiente no lineal y la birrefringencia adecuada adecuada para el ajuste de fases ("phasematching"), tanto en la generación de armónicos como en la oscilación paramétrica.
CERAMICOS: Están formados por una combinación de fases cristalinas y/o vítreas Se pueden presentar en función de la aplicación como sólido denso, polvo fino, película, fibra, etc. Los hay constituidos por una fase cristalina o una fase vítrea, denominándose monofásicos Los constituidos por muchos
cristales de la misma fase cristalina se denominan policristalinos. Los monocristales monocristales se refieren a materiales constituidos por un solo cristal de una única fase. Las propiedades de los materiales cerámicos cubren un amplio intervalo de necesidades necesidades
Propiedades mecánicas Propiedades térmicas Propiedades ópticas Propiedades eléctricas Propiedades magnéticas Propiedades químicas
MATERIALES PIROELECTRICOS PIROELECTRICOS FUNDAMENTO TEÓRICO En los medios dieléctricos lineales, que son los más abundantes y estudiados, la polarización es directamente proporcional al campo eléctrico aplicado: P=ε0.X.E Donde P es la polarización, E es el c ampo eléctrico, ε0 es la permisividad eléctrica del vací o, y χ es la
susceptibilidad dieléctrica dieléctrica del material, que no depende del campo aplicado. De la propia expresión se deduce que cuando E es nulo, también lo es P. Al contrario de los medios lineales, los no lineales pueden tener una polarización diferente de cero, aunque el campo E sea nulo. Este es el caso de los ferroeléctricos, que presentan una dependencia de P respecto a E que tiene la forma de ciclo de histéresis (figura 1); formalmente semejante a la dependencia entre la magnetización, M, y el campo magnético aplicado, B, que se observa en los materiales ferromagnéticos. En la figura 1, la situación en la que, a campo aplicado nulo, tenemos polarización no nula (llamada polarización remanente, Pr) correspondería a los dos puntos de corte del ciclo de histéresis con el eje de ordenadas. or denadas. El valor de Pr da idea de "la altura" del ciclo de histéresis, mientras que el parámetro que informa de "la anchura" del ciclo, es el campo coercitivo, Ec, que no es otra cosa que el campo que hay que aplicar para tener el dieléctrico despolarizado. despolarizado. Gráficamente Ec corresponde a los dos puntos en los que el ciclo corta al eje de abscisas.
Otra característica muy notoria de estos materiales es la fuerte dependencia de la polarización con la temperatura, T. Se observa que cuando ésta se incrementa la polarización
remanente disminuye (figura 2). Pero cuando T supera un cierto valor TC (temperatura de Curie) el campo remanente es nulo, y el dieléctrico pasa a ser lineal. Esta dependencia con la temperatura constituye el llamado efecto piroeléctrico y se aprovecha para construir dispositivos detectores de calor. Los materiales con un efecto piroeléctrico importante se conocen genéricamente como materiales piroeléctrico, entre los que podemos citar, como importantes, la sal de la Rochelle, el sulfato de triglicina (TGS), y el titanato de plomo (PbTiO3). Fundamento de la caracterización piroeléctrica: piroeléctrica:
Para efectuar la caracterización piroeléctrica, la muestra se sitúa entre las armaduras de un condensador, como se representa en la figura 3. De manera general, se ha supuesto que el piroeléctrico presenta una cierta polarización y se indican, de manera esquemática, las cargas de polarización equivalentes (que en geometría plana y para un material homogéneo son superficiales y están localizadas en las superficies del piroeléctrico). También figuran en el esquema las cargas libres localizadas en los electrodos (representadas de color gris). En el caso particular de que les cargas libres de los electrodos compensen perfectamente las de polarización, el campo eléctrico resulta cero y la diferencia de potencial entre placas, consecuentemente, también. Esta circunstancia se consigue simplemente cortocircuitando el condensador.
Ahora calentamos el piezoeléctrico de manera que su temperatura se incremente a un ritmo T(t). En un intervalo dt, la variación de la polarización, dP, será:
Esta variación de P supone una variación igual de la carga de polarización σP, con lo que la
variación correspondiente de la carga en las armaduras (de área S) del condensador en dt resulta
Esto da lugar a una corriente I(t) que circula por el amperímetro, de valor:
Cuando se alcanza T>TC, la polarización es nula y, por lo tanto, su derivada y la I serán también nulas. Del análisis efectuado, teniendo en cuenta la forma general de P (T), es de esperar que la dependencia de la intensidad en función del tiempo sea de la forma de la figura 5a). Para Par a un instante cualquiera, t, del proceso, en el cual la temperatura del piroeléctrico es T, tenemos que la carga que, hasta aquel instante, ha circulado por el amperímetro viene dada por:
que gráficamente corresponde al área de color gris de la misma figura 5a). 5 a). Si ahora representamos esta carga Q(t) en función de la temperatura, T, que el piroeléctrico tenía en el instante t obtenemos una Q(T) de la forma de la figura 5b). La L a dependencia P(T) se calcula, a partir de la Q(T), aplicando:
donde QTotal es la totalidad de la carga que ha circulado por el amperímetro desde el inicio del proceso (P=Pr) hasta que la temperatura del piroeléctrico ha superado TC (P=0).
Coeficiente piroeléctrico: A menudo, y sobre todo de cara a las aplicaciones, de habla del coeficiente piroeléctrico, λ, que se define como:
Del análisis de la dependencia P(T) se comprueba que λ e s función de T y que presenta fuertes
variaciones para temperaturas próximas a las de Curie, TC.
Permitivitad eléctrica eléctrica : Aunque no se trata de medios lineales, también se acostumbra asociar a estos materiales una permitividad eléctrica, εr, cuya definición es análoga a la que se aplica a los medios lineales:
con la diferencia de que ahora εr depende del campo eléctrico.
Aplicación: Dispositivo piroeléctrico para la detección de radiación infrarroja
El efecto piroeléctrico se aprovecha para la detección de radiación infrarroja, tanto en aparatos de medida como también, y más habitualmente, en dispositivos detectores de presencia en sistemas de seguridad y protección doméstica. El elemento básico es el “detector piroeléctrico” de tipo dual
que responde al esquema mostrado en la figura 6. Los dos condensadores son de piroeléctrico y vienen montados sobre el mismo bloque de silicio. Uno ellos está puesto a la radiación exterior y el otro está protegido por una pantalla. Cuando el sistema está en equilibrio térmico y la radiación incidente es nula, los dos condensadores están igualmente polarizados y la tensión total es cero. Este voltaje nulo aplicado a la “puerta” de un transistor FET (transistor de efecto de campo), hace que aparezca cierta tensión a la salida, OUTPUT, del FET. Cuando incide radiación sobre el dispositivo, cambia el estado de polarización del condensador no protegido por la pantalla. Esto
hace que los dos condensadores no soporten la misma m isma tensión, por lo que el voltaje aplicado a la puerta ya no es nulo y aparece un cambio de tensión en la salida.
