El hueso, la madera y el cuarzo son todos materiales piezoeléctricos. Pero, ¿qué es la piezoelectricidad y cómo funciona? Aquí explicamos de dónde proviene esta notable propiedad.
acoplamiento entre propiedades eléctricas y mecánicas
la piezoelectricidad es un fenómeno que significa que hay un acoplamiento entre el estado eléctrico y el mecánico del material. Cuando una pieza de material piezoeléctrico se deforma mecánicamente, por ejemplo, se comprime, una corriente fluirá y cargará sus caras., y viceversa, se deformará cuando se ejerce a un campo eléctrico.
el fenómeno fue descubierto en 1880 por Paul-Jacques Curie, y su hermano menor, Pierre, esposo de la conocida Marie Curie. Además de los materiales ya mencionados, hay muchos más materiales que exhiben propiedades piezoeléctricas como sacarosa, seda, sal de Rochelle, PVDF y muchas cerámicas. ¿Pero por qué no todos los materiales exhiben esta propiedad? La razón de esto es que para que aparezca la piezoelectricidad, el material debe ser cristalino pero no tener un centro de simetría. Pronto lo veremos.,
El efecto piezoeléctrico se origina en el reordenamiento de cargas netas
la manifestación de la corriente inducida por presión tiene su origen en el reordenamiento de cargas dentro del material. En el estado de equilibrio, cuando se descarga el material, la disposición de las cargas dentro de la red del material es tal que la celda unitaria no está cargada, Fig.1 A. Sin embargo, cuando el material se deforma mecánicamente, habrá una redistribución de la carga dentro de la celda unitaria., Esta redistribución inducirá cargas netas en las caras de la célula unitaria y dará lugar a un momento dipolar neto, Fig. 1b y 1c.
Figura 1. Una ilustración esquemática de cómo funciona la piezoelectricidad. A) en equilibrio, las cargas de la célula unitaria se distribuyen de tal manera que no hay momento dipolar neto. B) cuando se comprime, surge un momento dipolar neto en la dirección vertical. C) cuando se estira, surge un momento dipolar neto en la dirección horizontal.,
la suma de la contribución neta de carga de todas las células unitarias será una polarización eléctrica de la pieza de material. Esto significa que la fuerza mecánica aplicada ha inducido un voltaje sobre el material. Para que ocurra la polarización, sin embargo, no debe haber un centro de simetría, Fig 2. Como ya se mencionó, este requisito solo se cumple con algunos materiales.
la Figura 2. Una ilustración esquemática de la distribución de carga en la celda unidad de un material con un centro de simetría., Tanto en el estado de equilibrio (A), como cuando se deforma mecánicamente (B, C), la distribución de la carga es tal que nunca surge un momento dipolar neto.
el fenómeno opuesto, es decir, donde el material cambia de forma a medida que se aplica un voltaje sobre sus caras, se llama efecto piezoeléctrico inverso, y esto no se descubrió hasta un año después, en 1881.
la piezoelectricidad es ampliamente utilizada, y nuevas aplicaciones esperan a la vuelta de la esquina
desde que el efecto piezoeléctrico se descubrió hace más de un siglo, se ha extendido a varias aplicaciones y ahora es ampliamente utilizado., Las áreas incluyen el control de frecuencia, por ejemplo, relojes, Altavoces para generar sonido y microbalanzas, como QCM y QCM-D, para monitorear los cambios de masa. Pero no se detiene ahí. Ahora piezoelectricity es un candidato a contribuir al futuro suministro de energía sostenible. La luz, el viento y la térmica han sido durante mucho tiempo fuentes obvias, y gracias al efecto piezoeléctrico, la vibración ahora se ha agregado a la lista. Una forma de utilizar fuentes vibratorias para la generación de energía es, por ejemplo, cosechar energía cinética humana a través de las baldosas de la calle o del pavimento. es decir, convertir la energía de los pasos en electricidad., La energía generada de esta manera podría utilizarse para hacer funcionar, por ejemplo, las luces de las calles u otros equipos de baja tensión en las ciudades.
observaciones
la Piezoelectricidad es una propiedad de ciertos materiales que induce una corriente eléctrica cuando mecánico, subrayó. Se utiliza, por ejemplo, en aplicaciones de control de frecuencia y generación de corriente.
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