Materiales piezoeléctricos han existido desde finales de los 80 y allanaron el camino para muchos inventos revolucionarios. Sirviendo en forma de SONAR en la guerra mundial estos materiales han llamado la atención de los inventores por su características místicas . Sensor de redes inalámbricas , Internet de las Cosas gobierna la era técnica del siglo XXI. Para mantener estas novedades en funcionamiento, la necesidad de energía se ha convertido en el mayor desafío. Busque un producto sostenible, confiable energía renovable fuente provocó que los investigadores se toparan con cosechadoras de energía pioneras: la materiales piezoeléctricos . Embárcate en un viaje para explorar esta nueva era cosechadoras de energía.
¿Qué es el material piezoeléctrico?
Para saber que material piezoeléctrico ¿Hay que saber qué significa el término piezoeléctrico ?. En PIEZOELECTRICIDAD el término 'piezo' significa presión o estrés. Por lo tanto piezoelectricidad se define como 'Electricidad generada por la aplicación de tensión o esfuerzo mecánico' y los materiales que exhiben esta propiedad se incluyen en la categoría de materiales piezoeléctricos . El mérito del descubrimiento de estos materiales es para Sir Jacques Curie (1856-1941) y Pierre Curie (1859-1906) . Mientras experimentaban con ciertos minerales cristalinos como el cuarzo, el azúcar de caña, etc… encontraron que la aplicación de fuerza o tensión sobre estos materiales generaba voltajes de polaridades opuestas con magnitudes proposicionales a la carga aplicada. Este fenómeno fue nombrado como Directo Efecto piezoeléctrico .
En el año siguiente, Lippman descubrió el efecto Converse afirmando que uno de estos cristales generadores de voltaje, cuando se expone a un campo eléctrico, se alarga o acorta según la polaridad del campo aplicado. Materiales piezoeléctricos entró en reconocimiento con su papel en la Primera Guerra Mundial cuando Quartz se utilizó como resonadores en SONAR. Durante el período de la Segunda Guerra Mundial, se descubrió material piezoeléctrico sintético, que más tarde condujo al intenso desarrollo de dispositivos piezoeléctricos . Antes de utilizar un material piezoeléctrico se debe conocer qué características hacen que estos materiales sean piezoeléctricos.
Propiedades del material piezoeléctrico y cómo funciona
El secreto de los materiales piezoeléctricos radica en su estructura atómica única. Los materiales piezoeléctricos están unidos iónicamente y contienen iones positivos y negativos en forma de pares llamados celdas unitarias. Estos materiales están disponibles en la naturaleza como un dieléctrico anisotrópico con celosía cristalina no centrosimétrica es decir, no tienen cargas eléctricas libres y los iones carecen de un centro de simetría.
Efecto piezoeléctrico directo
Cuando se aplica tensión mecánica o fricción a estos materiales, la geometría de la estructura atómica del cristal cambia debido al movimiento neto de iones positivos y negativos entre sí, lo que resulta en dipolo eléctrico o Polarización . Por tanto, el cristal cambia de dieléctrico a material cargado. La cantidad de voltaje generado es directamente proporcional a la cantidad de esfuerzo o tensión aplicada al cristal.
Efecto piezoeléctrico directo
Efecto piezoeléctrico converse
Cuando electricidad Se aplica a estos cristales los dipolos eléctricos aparecen, formando el movimiento dipolo que provoca la deformación del cristal, dando lugar así a la inversa efecto piezoeléctrico como se muestra en la figura.
Efecto piezoeléctrico converse
Materiales piezoeléctricos sintéticos
Artificial materiales piezoeléctricos me gusta cerámica piezoeléctrica exhiben polarización espontánea (propiedad ferroeléctrica), es decir, existe dipolo en su estructura incluso cuando no se aplica ningún campo eléctrico. Aquí la cantidad de efecto piezoeléctrico producido depende en gran medida de su estructura atómica. Los dipolos presentes en la estructura forman dominios-regiones donde los dipolos vecinos tienen la misma alineación. Inicialmente, estos dominios están orientados aleatoriamente, por lo que no provocan polarización neta.
Estructura de cristal de perovskita por encima y por debajo del punto Curie
Al aplicar un fuerte campo eléctrico de CC a estas cerámicas cuando pasan por su punto Curie, los dominios se alinean en la dirección del campo eléctrico aplicado. Este proceso se llama encuesta . Después de enfriar a temperatura ambiente y eliminar el campo eléctrico aplicado, todos los dominios mantienen su orientación. Una vez completado este proceso, la cerámica exhibe el efecto piezoeléctrico . Los materiales piezoeléctricos naturales existentes como el cuarzo no se muestran comportamiento ferroeléctrico .
Ecuación piezoeléctrica
El efecto piezoeléctrico se puede describir con lo siguiente Ecuaciones de acoplamiento piezoeléctricas
Efecto piezoeléctrico directo: S = sE .T + d. mi
Efecto piezoeléctrico inverso: D = d.T + εT.E
Dónde,
D = vector de desplazamiento eléctrico
T = el vector de estrés
sE = matriz de coeficientes elásticos a una intensidad de campo eléctrico constante,
S = vector de deformación
εT = matriz dieléctrica a deformación mecánica constante
E = vector de campo eléctrico
d = efecto piezoeléctrico directo o inverso
El campo eléctrico aplicado en diferentes direcciones genera diferentes cantidades de tensión en los materiales piezoeléctricos. Por tanto, las convenciones de signos se utilizan junto con los coeficientes para conocer la dirección del campo aplicado. Para determinar la dirección, los ejes 1, 2, 3 se utilizan de forma análoga a X, Y, Z. El poling se aplica siempre en la dirección de 3. El coeficiente con subíndices dobles relaciona las características eléctricas y mecánicas con el primer subíndice que describe la dirección de la campo eléctrico de acuerdo con la tensión aplicada o la carga producida. El segundo subíndice indica la dirección de la tensión mecánica.
El coeficiente de acoplamiento electromecánico se presenta de dos formas. El primero es el término de actuación d, y el segundo es el sensor término g. Los coeficientes piezoeléctricos junto con sus notaciones se pueden explicar con d33
Dónde,
d especifica que la tensión aplicada está en la 3ª dirección.
3 especifica que los electrodos son perpendiculares al tercer eje.
3 especifica la constante piezoeléctrica.
¿Cómo funciona el material piezoeléctrico?
Como se explicó anteriormente, los materiales piezoeléctricos pueden funcionar en dos modos :
- El efecto piezoeléctrico directo
- Efecto piezoeléctrico inverso
Tomemos un ejemplo para que cada uno comprenda la aplicación de estos modos.
Generador Heal-Strike con efecto piezoeléctrico directo:
DARPA ha desarrollado este dispositivo para equipar a los soldados con un generador de energía portátil. El material piezoeléctrico implantado en los zapatos experimenta estrés mecánico cuando el soldado camina. Debido a directo propiedad piezoeléctrica , el material produce carga eléctrica debido a esta tensión mecánica. Este cargo se almacena en el condensador o pilas que de este modo se pueden utilizar para cargar sus dispositivos electrónicos sobre la marcha.
Generador de golpes de curación
Oscilador de cristal de cuarzo en relojes con efecto piezoeléctrico Converse
Los relojes contienen un cristal de cuarzo . Cuando se aplica electricidad de la batería a este cristal a través de un circuito, se produce un efecto piezoeléctrico inverso. Debido a este efecto sobre la aplicación de la carga eléctrica, el cristal comienza a oscilar con una frecuencia de 32768 veces por segundo. El microchip presente en el circuito cuenta estas oscilaciones y genera un pulso regular por segundo que hace girar las manecillas de los segundos del reloj.
Converse Piezo Effect usado en relojes
Usos de materiales piezoeléctricos
Debido a su singular características, materiales piezoeléctricos han adquirido un papel importante en diversas invenciones tecnológicas.
Uso del efecto piezoeléctrico directo
- En las estaciones de tren de Japón, el concepto de ' granja de multitudes ”Se probó donde las pisadas de los peatones sobre las baldosas piezoeléctricas empotradas en la carretera pueden generar electricidad.
- En 2008, un club nocturno en Londres construye el primer piso ecológico hecho de material piezoeléctrico que puede generar electricidad para encender bombillas cuando la gente baila en él.
- El efecto piezoeléctrico encuentra una aplicación útil como filtros de frecuencia mecánicos, dispositivos de ondas acústicas de superficie , dispositivos de ondas acústicas a granel, etc.
- Micrófonos y altavoces de sonido y ultrasonido, imagen ultrasónica , hidrófonos.
- Pastillas piezoeléctricas para guitarras, biosensores para encender el marcapasos.
- Los elementos piezoeléctricos también se utilizan en la detección y generación de ondas de sonar, de eje único y eje doble detección de inclinación .
Efecto piezoeléctrico de RoadWays
Usos del efecto piezoeléctrico Converse
- Actuadores y motores
- Colocación de micro precisión y ajustes de micro precisión en lentes para microscopios.
- Conductor de aguja en impresoras, motores miniaturizados, actuadores bimorfos.
- Actuadores multicapa para un posicionamiento preciso en óptica
- Sistemas de inyección en válvulas de combustible para automóviles, etc.
Efecto piezoeléctrico como micro ajuste en la cámara
Acoplando campos eléctricos y mecánicos:
- Para la investigación de la estructura atomística de materiales.
- Monitorear la integridad estructural y detectar fallas en etapas tempranas en estructuras civiles, industriales y aeroespaciales.
Ventajas y limitaciones de los materiales piezoeléctricos
Las ventajas y limitaciones de los materiales piezoeléctricos incluyen las siguientes.
Ventajas
- Los materiales piezoeléctricos pueden funcionar en cualquier condición de temperatura.
- Tienen baja huella de carbono haciéndolos la mejor alternativa para los combustibles fósiles.
- Las características de estos materiales los convierten en los mejores recolectores de energía.
- La energía no utilizada que se pierde en forma de vibraciones se puede aprovechar para generar energía verde.
- Estos materiales se pueden reutilizar.
Limitaciones
- Al trabajar con vibraciones, estos dispositivos también son propensos a captar vibraciones no deseadas.
- La resistencia y la durabilidad aplican límites a los dispositivos cuando se utilizan para aprovechar la energía de las aceras y carreteras.
- El desajuste entre la rigidez del material piezoeléctrico y el material del pavimento.
- Los detalles menos conocidos de estos dispositivos y la cantidad de investigación realizada hasta la fecha no son suficientes para explotar el uso completo de estos dispositivos.
Como se dice, 'La necesidad es la madre de la invención', nuestra necesidad de un dispositivo de recolección de energía de baja huella de carbono y sin prisas ha traído materiales piezoeléctricos en el centro de atención de nuevo. ¿Cómo pueden estos materiales superar sus limitaciones? ¿Estamos avanzando hacia un futuro en el que en lugar de preocuparnos por la cantidad de combustible que se utiliza para viajar, solo nos preguntemos por la cantidad de energía que genera nuestro automóvil? ¿Qué piensas? Aquí hay una pregunta para ti, ¿Cuál es el mejor material piezoeléctrico?
