Materiales Piezoelectricos
Piezoelectricidad: La piezoelectricidad puede definirse como la propiedad que poseen algunas sustancias no conductoras, cristalinas (que no poseen centro de simetría), de presentar cargas eléctricas de signo contrario, en caras opuestas, cuando están sometidas a determinadas deformaciones mecánicas. El fenómeno es reversible, pues aplicando a las caras, una tensión
eléctrica, se produce una deformación mecánica proporcional al potencial eléctrico.
Fig 1. Proyección del Hexágono Atómico
La
deformación de un cristal no genera cargas eléctricas, pero produce un
desplazamiento de las cargas propias del mismo; y en los cristales
asimétricos, este desplazamiento provoca el llamado efecto piezoeléctrico.
La
célula unitaria de cuarzo (Si–O2) está compuesta por 6 átomos de
oxigeno, con dos cargas negativas cada uno, y 3 de silicio con cuatro
cargas positivas cada uno.
La proyección del hexágono atómico (Figura 1) muestra los 3 átomos de silicio, y solo 3 de los 6 de oxígeno, dado que ellos se superponen 2 a 2.
Si se ejerce una presión, por ejemplo, en el sentido indicado por las flechas, se producen una deformación de la célula; un desplazamiento de las cargas, y el equilibrio eléctrico resulta alterado. Como consecuencia aparecen cargas de signo opuesto en la parte superior e inferior de la célula esquematizada.
Muchas
sustancias cristalinas poseen propiedades piezoeléctricas, pero
solamente algunas se usan a escala industrial; entre éstas, el cuarzo, la Sal de Rochelle, el titanato de bario, el fosfato dihidrogenado de amonio (ADP), etc..La proyección del hexágono atómico (Figura 1) muestra los 3 átomos de silicio, y solo 3 de los 6 de oxígeno, dado que ellos se superponen 2 a 2.
Si se ejerce una presión, por ejemplo, en el sentido indicado por las flechas, se producen una deformación de la célula; un desplazamiento de las cargas, y el equilibrio eléctrico resulta alterado. Como consecuencia aparecen cargas de signo opuesto en la parte superior e inferior de la célula esquematizada.
Los
cristales se usan como patrones de frecuencia, cuando la frecuencia de
resonancia mecánica de los mismos es muy estable (por ejemplo, láminas
convenientemente cortadas de un cristal de cuarzo); estos cristales al vibrar generan una tensión proporcional a la amplitud de la vibración, y de la misma frecuencia que ésta;
y provistos de electrodos convenientes, tienen las características de
un circuito resonante de muy alto Q y alta relación L/C, y se utilizan
en circuitos filtros, o como elementos de realimentación selectiva en
circuitos osciladores, entre otras aplicaciones.
El circuito equivalente de un cristal es el siguiente:
El circuito equivalente de un cristal es el siguiente:
Fig 2. Circuito Equivalente de un Cristal
La capacidad en paralelo C1 corresponde a los electrodos soportes y al cableado, y puede llegar a tener un valor importante.
Esta capacidad hace que el cristal presente dos modos de resonancia: una resonancia serie fs y otra paralelo fp (Figura 3). Entre las dos suele haber una diferencia del orden de 1 a 2KHz. Normalmente se usa el modo de resonancia serie.
Esta capacidad hace que el cristal presente dos modos de resonancia: una resonancia serie fs y otra paralelo fp (Figura 3). Entre las dos suele haber una diferencia del orden de 1 a 2KHz. Normalmente se usa el modo de resonancia serie.
Fig 3. Variación de la Reactancia y la Impedancia en un Cristal.
Los cristales piezoeléctricos
se usan también como transductores, debido a que el efecto
piezoeléctrico posibilita la conversión de energía mecánica en eléctrica
o viceversa; ejemplos típicos son los cristales piezoeléctricos usados
en micrófonos, fonocaptores, patrones de deformación, etc.. Para algunas
de estas aplicaciones se usa el cuarzo, pero su efecto piezoeléctrico
es relativamente débil, por lo que es más común el uso de la Sal de
Rochelle, de las cerámicas piezoeléctricas, etc.
