La Ciencia Detrás de la Piezoelectricidad: Cómo Funciona y Por Qué Importa

La mayoría de dispositivos modernos usan piezoelectricidad como componente de sus placas de circuito impreso (PCB). Por ejemplo, su reloj de cuarzo necesita piezoelectricidad para regular el tiempo. Además, micrófonos e incluso su querido Siri la necesitan para reconocimiento de voz. Pero, ¿cómo funciona la piezoelectricidad? Todos los materiales piezoeléctricos tienen características únicas. Estas permiten integrarse perfectamente con la mayoría de tecnologías modernas para proporcionar una mezcla perfecta. En este artículo, le daremos guía completa sobre cómo funciona la piezoelectricidad para uso cotidiano.

Cómo Funciona la Piezoelectricidad

Ilustración de mecánica piezoelectricidad.

Fuente: https://www.audiowell.com/technology/187.html

Piezoelectricidad fue término acuñado por dos científicos franceses hermanos, Jacques y Pierre Curie. Tras descubrir que aplicar presión en dos cuarzos (o ciertos cristales) crea carga eléctrica.

Piezo viene del griego 'piezein', que significa apretar o presionar. Por tanto, piezoelectricidad significa 'electricidad por presión'. Específicamente, presionar dos cristales para hacer energía eléctrica. El cristal piezo ayuda a convertir energía mecánica (sonido) en señales eléctricas que el dispositivo puede interpretar.

Esta tecnología está en rápido desarrollo. Muchas empresas usan este fenómeno como base para tecnología más avanzada. Por ejemplo, el nuevo transductor de tono cerámico de audio es creación de la piezoelectricidad.

¿Qué es el Efecto Piezoeléctrico?

Ilustración del efecto piezoeléctrico.

El efecto piezoeléctrico es la capacidad de apretar dos materiales específicos para crear corriente eléctrica. Aplicar estrés mecánico a estos materiales ayuda a crear carga alterna negativa y positiva en el material, creando campo eléctrico activo.

Sin embargo, esta característica única también es reversible. Materiales que presentan efecto piezoeléctrico directo también pueden exhibir efecto inverso.

El efecto inverso es útil en áreas que involucran producción, detección y distribución de sonido. Incluye microbalanzas, mecánica de fuentes de ignición, generación de frecuencia electrónica, producción de altos voltajes, etc.

Efecto Piezoeléctrico Directo

Ilustración de piezoeléctrico y piezoeléctrico inverso.

Fuente:https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/leadfree-piezoceramics-status-and-perspectives/533F8B4F91B57A04C2E70D372D4627E5

Como se dijo, apretar un cristal piezoeléctrico produce piezoelectricidad.

En la ilustración, al colocar material piezoeléctrico no conductor entre dos placas metálicas y apretarlas/comprimirlas, producen corriente eléctrica. Las placas actúan como transmisoras de esta corriente.

La corriente eléctrica crea una corriente – conocida como efecto piezoeléctrico.

Efecto Piezoeléctrico Inverso

Crea efecto inverso al aplicar voltaje eléctrico directo para hacer que material piezoeléctrico se expanda o encoja. Esto crea efecto inverso – convirtiendo energía eléctrica en mecánica.

Usar este método ayuda a hacer dispositivos que producen sonido acústico, ej. altavoces y micrófonos piezoeléctricos. Tales dispositivos son muy funcionales al ser delgados y caber en varios aparatos pequeños. Mismo principio aplica a transductores de sonar y ultrasonidos médicos.

https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM

Materiales Piezoeléctricos

Varios materiales, naturales y artificiales, exhiben efectos piezoeléctricos. Al aplicar presión (estrés mecánico) y deformar aplicando alto voltaje, producen electricidad.

Por regla, estos materiales son no conductores. Es la única forma que el efecto piezoeléctrico ocurra.

Materiales vienen en dos categorías principales:

• Cristal piezoeléctrico
• Cerámica piezoeléctrica

Ejemplos naturales: Berlinita, cuarzo, sal de Rochela, turmalina, etc. Ejemplos artificiales: titanato de circonato de plomo (PZT), titanato de bario, azúcar de caña, niobato de litio.

Comparados con materiales biológicos, los fabricados son más efectivos y tienen mejor uso. Por ejemplo, titanato de circonato de plomo produce mayor voltaje que cuarzo al ejercer misma presión, y esto es cierto al aplicar alto voltaje a ambos.

Materiales Piezoeléctricos

Aplicaciones

Generador de chispa piezoeléctrico en quemador de cocina de gas

Hoy, aplicaciones de transductores y sensores piezoeléctricos están en todas partes. Probablemente hay material piezoeléctrico en cada dispositivo del mercado.

Tome este metro en Tokio, por ejemplo. Usa el principio como fuente alternativa de energía.

Aplicaciones típicas cotidianas:

Sensor Piezo

Los sensores piezoeléctricos convierten dimensión física en fuerza que actúa en dos caras opuestas del elemento sensor. En términos simples, detectan variaciones de presión provocadas por sonido.

No requieren fuente de voltaje externa y generan resultados de la presión aplicada.

Son susceptibles, perfectos para dispositivos de sonido de alta frecuencia como transductores ultrasónicos para imágenes médicas y monitoreo industrial de máquinas.

Características principales:

• Alta resistencia y delgados
• Alta resistencia mecánica
• Alta estabilidad y cumplimiento elástico
• Amplio rango de frecuencia
• Resistencia a impactos
• Alta salida de voltaje

Altos Voltajes y Fuentes de Energía

Encendedor de cigarrillos usando principio piezoeléctrico

Esta es la aplicación práctica más popular. Mejores ejemplos: parrillas de gas y encendedores eléctricos. Presiona botón, martillo accionado por resorte golpea cristal piezoeléctrico. Produce chispa suficiente que causa carga eléctrica para encender el gas.

Motores

La ventaja principal del efecto piezoeléctrico es el cambio diminuto correspondiente a aplicaciones de alto voltaje – perfecto para uso con extrema precisión en posicionamiento.

Por eso los motores piezoeléctricos tienen muchas ventajas vs motores electromagnéticos convencionales. Proporcionan mayor fuerza y torque siendo generalmente más pequeños y compactos.

Además, campos electromagnéticos no afectan rendimiento de dispositivos piezoeléctricos, mejores para inicio y parada rápidos.

Actuadores Piezoeléctricos

Ilustración de actuador piezoeléctrico.

Fuente: https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866

Los actuadores usan efecto inverso para alimentar dispositivos como máquinas de braille y tejido. Dentro, material piezoeléctrico está entre placa metálica y dispositivo actuador.

Aplicar alto voltaje causa que el material se expanda y contraiga a intervalos, moviendo el actuador rítmicamente.

Estos actuadores son beneficiosos, especialmente en dispositivos que requieren posicionamiento preciso, como espejos en satélites. También, por diseño simple y mínimas partes móviles, son geniales para dispositivos miniaturizados como cámaras de video y móviles.

Pros y Contras de la Piezoelectricidad

A pesar de elogios, la piezoelectricidad tiene limitaciones. Principales pros y contras:

Ventajas	Desventajas
Capacidad de operar a cualquier temperatura	Su sensibilidad a vibraciones los hace propensos a vibraciones aleatorias.
Sin efecto de campo electromagnético.	A veces la rigidez del material piezoeléctrico no coincide con material de aplicación, ej. pavimento.
Baja huella de carbono, mejor alternativa a combustibles fósiles
Materiales altamente reutilizables
Su respuesta diminuta a alta frecuencia los hace mejores cosechadores de energía.

Generadores Piezoeléctricos

Un generador piezoeléctrico (PEG) usa sensores piezo para convertir energía mecánica en eléctrica sin rotación física – típica en generadores tradicionales. Vienen en tamaños pequeños, compactos y manejables.

En esta generación, los generadores piezoeléctricos son avance bienvenido en generación de energía. Aunque no logrado, poseen poder para hacer realidad el sueño de dispositivos electrónicos inalámbricos autoalimentados.

Podría ser largo camino hasta actualizar este sueño; sin embargo, generadores piezoeléctricos han probado ser fuentes de energía confiables, estables y altamente duraderas. Expertos creen que no tardarán en reemplazar gran parte de nuestras necesidades de energía.

Generadores Piezoeléctricos – Beneficios y Limitaciones

Beneficios

• Versátiles en tamaño. Por características únicas, elementos piezo vienen en tamaños y diseños altamente flexibles. Pueden ser tan planos como necesite para caber en cualquier dispositivo miniatura.

Segundo, los elementos piezo cosechan energía que de otro modo se desperdiciaría. Ejemplo: motor piezo en pasarela peatonal recoge vibración de pasos y la convierte en energía eléctrica. Funciona como fuente alternativa y forma de reducir ruido ambiental.

Limitaciones

• Salida de potencia limitada. Generador piezo necesita vibraciones constantes para generar potencia constante. Por tanto, potencia generada es directamente proporcional al estrés aplicado. Puede aumentar salida apilando múltiples elementos piezo. Sin embargo, tras cierto punto, rendimientos decrecientes ya que necesitará más presión para trabajar el sistema.

Conclusión

¿Cómo funciona la piezoelectricidad? En resumen, materiales piezoeléctricos convierten convenientemente energía mecánica en eléctrica. Sus características únicas los hacen altamente útiles en muchas áreas tecnológicas. Especialmente áreas que necesitan posicionamiento preciso.

Las aplicaciones de tecnología piezoeléctrica son ilimitadas, muchas posibilidades por explorar. Fabricantes como WellPCB están a la vanguardia integrando esta tecnología en uso cotidiano.