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la piezoelectricidad fue descubierta por los hermanos de dos científicos franceses, Jacques y Pierre Curie, en 1880., Descubrieron la piezoelectricidad después de darse cuenta de que la presión aplicada al cuarzo o incluso algunos cristales crea una carga eléctrica en ese material.1 más tarde se refirieron a ese fenómeno extraño y científico como el efecto piezoeléctrico.
Los Hermanos Curie pronto descubrieron el efecto piezoeléctrico inverso. Fue después de que verificaron que cuando un campo eléctrico se impuso sobre los cables de cristal, condujo a la malformación o trastorno del cable de cristal, ahora llamado efecto piezoeléctrico inverso.,
el término piezoelectricidad proviene de la palabra griega piezoeléctrica que significa apretar o presionar. Curiosamente, eléctrico en griego significa ámbar. Amber también resultó ser una fuente de carga eléctrica.2
muchos dispositivos electrónicos hoy en día utilizan piezoelectricidad. Por ejemplo, cuando usas algún tipo de software de reconocimiento de voz, o incluso Siri en tu teléfono inteligente, el micrófono al que estás hablando probablemente esté usando piezoelectricidad. Ese cristal piezoeléctrico convierte la energía sonora de tu voz, y la convierte en señales eléctricas para que tu computadora o tu teléfono las interpreten.,3 que todo se hace posible con piezoelectricidad.
la creación de varias tecnologías más avanzadas se remonta al descubrimiento de la piezoelectricidad. Por ejemplo, el potente sonar «sonobuoy» pequeños micrófonos sensibles, y el transductor de tono de audio de cerámica, fueron posibles gracias a la piezoelectricidad. Hoy estamos viendo el desarrollo de cada vez más materiales y dispositivos piezoeléctricos.
efecto piezoeléctrico directo
como se ha indicado, la compresión de un material piezoeléctrico produce electricidad (piezoelectricidad). La figura 1 explica el concepto.
1., El efecto piezoeléctrico ocurre a través de la compresión de un material piezoeléctrico.
El material Piezocerámico—cerámica piezoeléctrica no conductora o cristal – se coloca entre las dos placas de metal. Para que se genere piezoelectricidad, necesita que el material se comprima o exprima. La tensión mecánica aplicada al material cerámico piezoeléctrico genera electricidad.
como se muestra en la Fig. 1, hay un potencial de voltaje a través del material. Las dos placas de metal emparejan el cristal piezoeléctrico. Las placas de metal recogen las cargas, lo que crea / produce voltaje (símbolo de Rayo), I. e.,, piezoelectricidad. De esta manera, el efecto piezoeléctrico actúa como una batería miniatura, porque produce electricidad. Este es el efecto piezoeléctrico directo. Los dispositivos que utilizan el efecto piezoeléctrico directo incluyen micrófonos, sensores de presión, hidrófonos y muchos otros tipos de dispositivos de detección.
el Efecto Piezoeléctrico Inverso
El efecto piezoeléctrico es reversible, lo que se conoce como el efecto piezoeléctrico inverso. Esto se crea mediante la aplicación de voltaje eléctrico para hacer que un cristal piezoeléctrico se contraiga o expanda (Fig. 2)., El efecto piezoeléctrico inverso convierte la energía eléctrica en energía mecánica.
2. La inversión del efecto piezoeléctrico, llamado efecto piezoeléctrico inverso, es cuando se aplica voltaje para encoger o expandir un cristal piezoeléctrico.
El uso del efecto piezoeléctrico inverso puede ayudar a desarrollar dispositivos que generan y producen ondas sonoras acústicas. Ejemplos de dispositivos acústicos piezoeléctricos son los altavoces (que se encuentran comúnmente en dispositivos portátiles) o zumbadores., La ventaja de tener tales altavoces es que son muy delgados, lo que los hace útiles en una variedad de teléfonos. Incluso los transductores médicos de ultrasonido y sonar utilizan un efecto piezoeléctrico inverso. Los dispositivos piezoeléctricos inversos no acústicos incluyen motores y actuadores.
materiales piezoeléctricos
los materiales piezoeléctricos son materiales que pueden producir electricidad debido a tensiones mecánicas, como la compresión. Estos materiales también pueden deformarse cuando se aplica voltaje (electricidad).
Todos los materiales piezoeléctricos no son conductores para que el efecto piezoeléctrico ocurra y funcione., Se pueden separar en dos grupos: cristales y cerámica.4
algunos ejemplos de materiales piezoeléctricos son PZT (también conocido como titanato de zirconato de plomo), titanato de bario y niobato de litio. Estos materiales artificiales tienen un efecto más pronunciado (mejor material para usar) que el cuarzo y otros materiales piezoeléctricos naturales.
comparar PZT con cuarzo. PZT puede producir más voltaje para la misma cantidad de tensión mecánica aplicada. Por el contrario, la aplicación de voltaje a PZT en lugar de cuarzo proporciona más movimiento., El cuarzo, un material piezoeléctrico bien conocido, es también el primer material piezoeléctrico conocido.
el PZT se crea y produce (a altas temperaturas) con dos elementos químicos—plomo y circonio—y se combina con un compuesto químico llamado titanato. La fórmula química de PZT es (PbO3). Se utiliza comúnmente para producir transductores de ultrasonidos, condensadores cerámicos y otros sensores y actuadores. También muestra una gama especial de diferentes propiedades. En 1952, el PZT fue fabricado por el Instituto de tecnología de Tokio.,5
el titanato de bario es un material cerámico ferroeléctrico con propiedades piezoeléctricas.6 por esa razón, el titanato de bario se ha utilizado como material piezoeléctrico durante más tiempo que la mayoría de los demás. Su fórmula química es BaTiO3. El titanato de bario fue descubierto en 1941 durante la Segunda Guerra Mundial.7
El niobato de litio es un compuesto que combina oxígeno, litio y niobio. Su fórmula química es LiNbO3. 8 también un material cerámico ferroeléctrico es igual que el titanato de bario en que también tiene propiedades piezoeléctricas.,9
Dispositivos Piezoeléctricos.
Sonar
Sonar, que llegó en la década de 1900, fue inventado por Lewis Nixon. Inicialmente desarrolló sonar para ayudar a detectar icebergs. El interés en el sonar aumentó durante la Primera Guerra Mundial, Sin embargo, para ayudar a localizar submarinos bajo el agua. Por supuesto, el sonar tiene muchos propósitos y usos hoy en día, desde la localización de peces hasta la navegación submarina, etc.
3. Con el sonar piezoeléctrico, un transmisor que utiliza el efecto piezoeléctrico inverso envía una onda de sonido para buscar objetos por delante.,
en la Figura 3, el sonar está enviando, a través del transmisor, una onda de sonido (señal) para buscar objetos delante. El transmisor utiliza un efecto piezoeléctrico inverso, que es cuando el transmisor usará voltaje para ayudarlo a enviar una onda de sonido. Una vez que la onda de sonido golpea un objeto, se recuperará. La onda de sonido que rebota será detectada por el receptor.
el receptor, A diferencia del transmisor, utiliza el efecto piezoeléctrico directo. El dispositivo piezoeléctrico receptor se comprime por la onda de sonido de retorno., Envía la señal (voltaje) a la electrónica de procesamiento de señal, que tomará esa onda de sonido rebotada y comenzará a procesarla. Determinará la distancia del objeto calculando las señales de tiempo del transmisor y el receptor.
actuadores piezoeléctricos
La Figura 4 muestra el funcionamiento de un actuador piezoeléctrico. La base permanece inmóvil y actúa como la placa de metal que empareja el material piezoeléctrico medio. Entonces el voltaje se aplica al material, que se expande y se contrae del campo eléctrico del voltaje aplicado., El cristal piezoeléctrico se mueve muy poco, ya sea hacia adelante o hacia atrás. Una vez que el material piezoeléctrico o cristal se mueve, empuja y tira lentamente del actuador.
4. En un actuador piezoeléctrico, el voltaje se aplica al material piezoeléctrico, causando expansión y contracción.
El actuador piezoeléctrico tiene muchos usos y aplicaciones. Por ejemplo, las máquinas de tejer y las máquinas braille utilizan estos actuadores, ya que tienen una cantidad tan pequeña de piezas móviles y un diseño muy simple., Incluso se pueden encontrar en cámaras de video y teléfonos celulares, porque se ha demostrado que son más competentes como un mecanismo de enfoque automático.10
altavoces piezoeléctricos y zumbadores
Los altavoces piezoeléctricos y los zumbadores utilizan el efecto piezoeléctrico inverso para generar y producir sonido. Cuando se aplica voltaje a los altavoces y zumbadores, crea ondas sonoras (Fig. 2, de nuevo). Una señal de voltaje de audio aplicada a la cerámica piezoeléctrica de los altavoces o zumbadores hará que el material vibre el aire. Esa vibración produce ondas sonoras, que salen del altavoz.,
los altavoces piezoeléctricos se utilizan comúnmente en despertadores u otros dispositivos mecánicos pequeños para generar sonidos de audio simples y de alta calidad. Esto se debe a que se limitan a una pequeña cantidad de respuesta de frecuencia.11
controladores piezoeléctricos
los controladores piezoeléctricos pueden convertir voltaje bajo de la batería en alto voltaje para alimentar dispositivos piezoeléctricos. Los controladores piezoeléctricos son muy importantes, ya que ayudan a los ingenieros a producir más voltaje para crear ondas sinusoidales más grandes.
5., Un controlador piezoeléctrico convierte el voltaje bajo de la batería en un voltaje más alto, que se utiliza para alimentar un amplificador que impulsa el dispositivo. Un oscilador introduce pequeñas ondas sinusoidales que el amplificador convierte en ondas sinusoidales más grandes.
La Figura 5 es un diagrama de bloques que ilustra el funcionamiento del controlador piezoeléctrico. Los controladores piezoeléctricos tomarán un voltaje de batería bajo y usarán un amplificador para convertirlo a un voltaje más alto. El voltaje más alto se utiliza para alimentar el amplificador. El oscilador ingresará ondas sinusoidales pequeñas, que el amplificador cambiará en ondas sinusoidales de voltaje más grandes. El amplificador acciona el dispositivo piezoeléctrico.,
The table below lists of several different companies that sell and produce various kinds of piezo drivers.
1. http://www.piezo.com/tech4history.html
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity
3. http://www.explainthatstuff.com/piezoelectricity.html
4. http://www.piezomaterials.com/
5. https://www.americanpiezo.com/piezo-theory/pzt.html
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Barium_titanate
7. http://ceramics.org/wp-content/uploads/2009/03/elec_division_member_papers1.pdf
8. https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_niobate
9. http://www.inradoptics.com/products/non-linear-crystals/lithium-niobate-linbo3
10. https://www.americanpiezo.com/piezo-theory/actuators.html
11., http://www.edisontechcenter.org/speakers.html#sound