¿Qué es el efecto piezoeléctrico?

El efecto piezoeléctrico es una propiedad única de ciertos cristales donde generarán un campo eléctrico o corriente si se someten a estrés físico. El mismo efecto también se puede observar a la inversa, donde un campo eléctrico impuesto sobre el cristal pondrá tensión en su estructura. El efecto piezoeléctrico es esencial para los transductores, que son componentes eléctricos utilizados en una amplia variedad de aplicaciones de sensores y circuitos. A pesar de la versatilidad del fenómeno para aplicaciones en dispositivos electromecánicos, se descubrió en 1880, pero no encontró un uso generalizado hasta aproximadamente medio siglo después. Los tipos de estructuras cristalinas que exhiben el efecto piezoeléctrico incluyen cuarzo, topacio y sal de Rochelle, que es un tipo de sal de potasio con la fórmula química de KNaC ₄ H ₄ O ₆ 4H ₂ O.

A Pierre Curie, famoso por ganar el Premio Nobel de física de 1903 por la investigación de la radiación con su esposa Marie, se le atribuye el descubrimiento del efecto piezoeléctrico con su hermano Jacques Curie en 1880. En ese momento, los hermanos no descubrieron el efecto piezoeléctrico inverso. , sin embargo, donde la electricidad deforma los cristales. A Gabriel Lippmann, un físico franco luxemburgués, se le atribuye el descubrimiento del efecto inverso al año siguiente, que condujo a su invención del electrómetro Lippmann en 1883, un dispositivo en el corazón de la operación de la primera máquina experimental de electrocardiografía (ECG).

Los efectos piezoeléctricos tienen la propiedad única de desarrollar a menudo miles de voltios de diferencia de potencial de energía eléctrica con niveles de corriente muy bajos. Esto hace que incluso pequeños cristales piezoeléctricos sean objetos útiles para generar chispas en equipos de ignición, como hornos de gas. Otros usos comunes de los cristales piezoeléctricos incluyen controlar movimientos precisos en microscopios, impresoras y relojes electrónicos.

El proceso mediante el cual tiene lugar el efecto piezoeléctrico se basa en la estructura fundamental de una red cristalina. Los cristales generalmente tienen un equilibrio de carga donde las cargas negativas y positivas se cancelan con precisión a lo largo de los planos rígidos de la red cristalina. Cuando este equilibrio de carga se interrumpe al aplicar estrés físico a un cristal, la energía es transferida por los portadores de carga eléctrica, creando una corriente en el cristal. Con el efecto piezoeléctrico inverso, la aplicación de un campo eléctrico externo al cristal desequilibrará el estado de carga neutra, lo que da como resultado una tensión mecánica y un ligero reajuste de la estructura reticular.

A partir de 2011, el efecto piezoeléctrico ha sido ampliamente monopolizado y utilizado en todo, desde relojes de cuarzo hasta encendedores de calentadores de agua, parrillas portátiles e incluso algunos encendedores de mano. En las impresoras de computadora, los cristales minúsculos se utilizan en las boquillas de los inyectores de tinta para bloquear el flujo de tinta. Cuando se les aplica una corriente, se deforman, permitiendo que la tinta fluya sobre el papel en volúmenes cuidadosamente controlados para producir texto e imágenes.

El efecto piezoeléctrico también se puede utilizar para generar sonido para altavoces en miniatura en relojes, y en transductores sónicos para medir distancias entre objetos como para buscadores de pernos en el sector de la construcción. Los transductores ultrasónicos también se basan en cristales piezoeléctricos y en muchos micrófonos. A partir de 2011, utilizan cristales hechos de titanato de bario, titanato de plomo o circonato de plomo, que producen voltajes más bajos que la sal de Rochelle, que era el cristal estándar en las primeras formas de estas tecnologías.

Una de las formas más avanzadas de tecnología para capitalizar el efecto piezoeléctrico a partir de 2011 es la del microscopio de túnel de exploración (STM) que se utiliza para examinar visualmente la estructura de los átomos y las moléculas pequeñas. El STM es una herramienta fundamental en el campo de la nanotecnología. Los cristales piezoeléctricos utilizados en STM son capaces de generar un movimiento medible en la escala de unos pocos nanómetros o billonésimas de metro.