Cómo funciona el piezoeléctrico:una guía completa y definitiva

La mayoría de los dispositivos modernos utilizan la piezoelectricidad como componente de sus placas de circuito impreso (PCB). Por ejemplo, su reloj de cuarzo necesita piezoelectricidad para regular el tiempo. Además, los micrófonos e incluso tu amada Siri también lo necesitan para el reconocimiento de voz. Pero, ¿cómo funciona el piezoeléctrico? Todos los materiales piezoeléctricos tienen características únicas. Y estas características les permiten integrarse a la perfección con la mayoría de las tecnologías modernas para brindar una combinación perfecta. En este artículo, le daremos una guía completa sobre cómo funciona la piezoelectricidad para el uso diario.

¿Cómo funciona el piezoeléctrico?

Ilustración de la mecánica piezoeléctrica.

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

Piezoeléctrico fue un término acuñado por dos hermanos de científicos franceses, Jacques y Pierre Curie. Después de descubrir que aplicar presión sobre dos cuarzos (o ciertos cristales) crea una carga eléctrica.

Piezo proviene de la palabra griega 'pieza en ', que significa apretar o presionar. Por lo tanto, piezoelectricidad significa "exprimir electricidad". Es decir, presionar dos cristales para producir energía eléctrica. El cristal piezoeléctrico ayuda a convertir la energía mecánica (sonora) en señales eléctricas que el dispositivo eléctrico puede interpretar.

Esta tecnología se encuentra actualmente en un rápido desarrollo. Y muchas empresas están utilizando actualmente este fenómeno como base para una tecnología más avanzada. Por ejemplo, el nuevo transductor cerámico de tonos de audio es una creación de la piezoelectricidad.

¿Qué es el Efecto Piezoeléctrico?

Ilustración de efecto piezoeléctrico.

El efecto piezoeléctrico es la capacidad de juntar dos materiales específicos para generar una corriente eléctrica. La aplicación de tensión mecánica a estos materiales ayuda a crear una carga alterna negativa y positiva en el material, creando un campo eléctrico activo.

Sin embargo, esta característica única de la piezoelectricidad también es reversible. Los materiales que presentan un efecto piezoeléctrico directo también pueden presentar un efecto piezoeléctrico inverso.

El efecto piezoeléctrico inverso es útil en muchas áreas que involucran la producción, detección y distribución de sonido. Además, incluye microbalanzas, mecánica de fuentes de ignición, generación electrónica de frecuencias, producción de altas tensiones, 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 antes, apretar un cristal piezoeléctrico produce piezoelectricidad.

En la ilustración, cuando coloca un material piezoeléctrico no conductor entre dos placas de metal y las aprieta o comprime juntas, producen una corriente eléctrica. Las placas de metal actúan como transmisor de esta corriente eléctrica.

La corriente eléctrica producida crea una corriente, conocida como efecto piezoeléctrico.

Efecto piezoeléctrico inverso

Creas un piezoeléctrico inverso cuando aplicas un voltaje eléctrico directo para hacer que un material piezoeléctrico se expanda o se contraiga. Por lo tanto, esto crea un efecto piezoeléctrico inverso, convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica.

La utilización de este método ayuda a fabricar dispositivos que producen sonido acústico, por ejemplo, altavoces piezoeléctricos y micrófonos piezoeléctricos. Dichos dispositivos piezoeléctricos son muy funcionales ya que son delgados y pueden caber en varios electrodomésticos pequeños. Asimismo, el mismo principio se aplica a dispositivos como transductores de sonar y ultrasonidos médicos.

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

Materiales piezoeléctricos

Varios materiales, tanto naturales como artificiales, exhiben efectos piezoeléctricos. Cuando aplica presión (estrés mecánico) y se deforma aplicando alto voltaje, producen electricidad.

Por regla general, estos materiales no son conductores. Y esta es la única forma en que puede ocurrir el efecto piezoeléctrico.

Los materiales piezoeléctricos se dividen en dos categorías principales:

• Cristal piezoeléctrico
• Cerámica piezoeléctrica

Ejemplos de materiales piezoeléctricos naturales son berlinita, cuarzo, sal de Rochelle, turmalina, etc. Ejemplos de materiales piezoeléctricos artificiales incluyen titanato de zirconato de plomo (PZT), titanato de bario, azúcar de caña y niobato de litio.

En comparación con los materiales biológicos, los materiales manufacturados son más efectivos y tienen un mejor uso del material. Por ejemplo, el titanato de circonato de plomo produce un voltaje más alto que el cuarzo cuando se ejerce la misma presión, y esto es cierto cuando se aplica una corriente de alto voltaje a los dos materiales.

Materiales piezoeléctricos

Aplicaciones

Quemador piezoeléctrico generador de chispas en un quemador de cocina de gas

Hoy en día, los transductores piezoeléctricos y las aplicaciones de sensores están en todas partes. Probablemente haya algo de material piezoeléctrico en todos los dispositivos del mercado actual.

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

Estas son algunas aplicaciones cotidianas típicas del principio piezoeléctrico.

Sensor piezoeléctrico

Los sensores piezoeléctricos convierten una dimensión física en una fuerza que actúa sobre dos caras opuestas del elemento sensorial. En términos simples, los sensores detectan las variaciones de presión provocadas por el sonido.

No requieren una fuente de voltaje externa y funcionan para generar resultados a partir de la presión aplicada.

Los sensores piezoeléctricos son susceptibles, lo que los hace perfectos para dispositivos de sonido de alta frecuencia como transductores ultrasónicos para imágenes médicas y monitoreo de máquinas industriales.

Los sensores piezoeléctricos tienen las siguientes características principales;

• Primero, alta resistencia y tamaño delgado
• Segundo, alta resistencia mecánica
• Luego, alta estabilidad y cumplimiento elástico
• Además, amplio rango de frecuencia
• Además, resistencia al impacto
• Finalmente, salida de alto voltaje

Alto voltaje y fuentes de alimentación

Encendedor de cigarrillos mediante el principio piezoeléctrico

Esta es la aplicación práctica más popular del principio piezoeléctrico que existe. Los mejores ejemplos son las parrillas de gas y los encendedores de cigarrillos eléctricos. Además, todo lo que tiene que hacer es presionar un botón y un martillo accionado por resorte golpea un cristal piezoeléctrico. Lo que luego produce una chispa suficiente que provoca una carga eléctrica para encender el gas.

Motores

La principal ventaja del efecto piezoeléctrico es el pequeño cambio en la correspondencia con las aplicaciones de alto voltaje, lo que lo hace perfecto para usar con extrema precisión en el posicionamiento.

Es por eso que los motores piezoeléctricos tienen muchas ventajas en comparación con los motores electromagnéticos convencionales. Además, proporcionan mayor fuerza y ​​par a pesar de ser generalmente más pequeños y compactos.

Además, los campos electromagnéticos no afectan el rendimiento de los dispositivos piezoeléctricos, lo que los hace mejores para un arranque y parada rápidos.

Actuadores piezoeléctricos

Ilustración del actuador piezoeléctrico.

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

Los actuadores utilizan el efecto piezoeléctrico inverso para alimentar dispositivos como braille y máquinas de tejer. Dentro del sistema actuador, un material piezoeléctrico se encuentra entre una placa de metal y un dispositivo actuador.

La aplicación de una corriente de alto voltaje en este sistema hace que el material piezoeléctrico se expanda y se contraiga a intervalos, lo que hace que el actuador se mueva rítmicamente.

Estos actuadores son beneficiosos, especialmente en dispositivos que requieren un posicionamiento preciso, como los espejos de los satélites. Además, debido a su diseño simple y mínimas partes móviles, son excelentes para dispositivos miniaturizados como cámaras de video y teléfonos móviles.

Ventajas y desventajas de la piezoelectricidad

A pesar de todos los elogios, la piezoelectricidad también tiene algunas limitaciones. Estos son algunos de los principales pros y contras de la piezoelectricidad.

Ventajas	Desventajas
Capacidad de operar a cualquier temperatura	Su sensibilidad a la vibración los hace propensos a vibraciones aleatorias.
Sin efecto del campo electromagnético.	A veces, la rigidez del material piezoeléctrico no coincide con el material de aplicación, por ejemplo, pavimento.
Tienen una baja huella de carbono, lo que los convierte en la mejor alternativa a los combustibles fósiles
Materiales altamente reutilizables
Su diminuta respuesta a la alta frecuencia los convierte en los mejores recolectores de energía.

Generadores piezoeléctricos

Un generador piezoeléctrico (también conocido como PEG) utiliza sensores piezoeléctricos para convertir la energía mecánica en energía eléctrica sin ninguna rotación física, lo que normalmente se encuentra en los generadores tradicionales. Como tal, los generadores piezoeléctricos vienen en tamaños pequeños, compactos y muy manejables.

En esta generación, los generadores piezoeléctricos son un avance muy bienvenido en la generación de energía. Aunque aún no se han logrado, poseen el poder de hacer realidad el sueño de los dispositivos electrónicos inalámbricos autoalimentados.

Todavía podría ser un largo camino hasta que podamos realizar este sueño; sin embargo, los generadores piezoeléctricos han demostrado ser fuentes de energía confiables, estables y altamente duraderas. Los expertos creen que no pasará mucho tiempo hasta que los generadores piezoeléctricos puedan reemplazar una gran parte de nuestras necesidades de energía.

Generadores piezoeléctricos:ventajas y limitaciones

Beneficios

• En primer lugar, versátil en tamaño. Debido a sus características únicas, los elementos piezoeléctricos vienen en tamaños y diseños muy flexibles. Pueden ser tan planos como necesites para encajar en cualquier dispositivo en miniatura.

En segundo lugar, los elementos piezoeléctricos recolectan energía que, de otro modo, se desperdiciaría. Por ejemplo, un motor piezoeléctrico conectado a una pasarela recoge la vibración del juego de pies y la convierte en energía eléctrica. Esto funciona como una fuente alternativa de energía y una forma de reducir el ruido del medio ambiente.

Limitaciones

• Tienen una potencia de salida limitada. Un generador piezoeléctrico necesita vibraciones constantes para generar potencia constante. Por lo tanto, la potencia generada es directamente proporcional al esfuerzo aplicado. Puede aumentar la salida apilando varios elementos piezoeléctricos. Sin embargo, después de cierto punto, hay rendimientos decrecientes ya que necesitará más presión para que el sistema funcione.

Conclusión

Entonces, ¿cómo funciona el piezoeléctrico? En resumen, los materiales piezoeléctricos pueden convertir convenientemente la energía mecánica en energía eléctrica. Las características únicas de estos materiales los hacen muy útiles en muchas áreas tecnológicas. Especialmente áreas que necesitan un posicionamiento preciso.

Las aplicaciones de la tecnología piezoeléctrica son ilimitadas y hay muchas posibilidades para explorar. Los fabricantes de tecnología como WellPCB están a la vanguardia en la integración de esta tecnología en el uso diario.