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Como se mencionó en la sección 3.1, los materiales piezoeléctricos tienen la propiedad de presentar una polarización eléctrica al generarle una deformación mecánica y viceversa, es decir, generan una deformación mecánica al aplicarle una carga eléctrica [49][50]. El primer comportamiento se conoce como efecto directo, en el cual el material piezoeléctrico actúa como sensor; mientras el segundo es llamado efecto inverso y en este caso el material piezoeléctrico tiene el comportamiento de un actuador [15]. La Figura 3.1 muestra la representación de ambos efectos, los cuales son una característica

Capítulo 3 37

que poseen todos los cristales ferroeléctricos, esta propiedad (ferroelectricidad) es una denominación histórica que nace por la similitud y a partir de la analogía con el fenómeno ferromagnético, dicha similitud es principalmente fenomenológica; es decir, tal como los materiales ferromagnéticos muestran una magnetización espontánea y un efecto de histéresis en la relación entre la magnetización y el campo magnético, los cristales ferroeléctricos también presentan una polarización eléctrica espontánea y un efecto de histéresis entre el desplazamiento dieléctrico y el campo eléctrico. Este comportamiento se presenta principalmente en temperaturas inferiores a la temperatura de Curie1

, ya que a temperaturas mayores el material pierde las propiedades piezoeléctricas y muestra un comportamiento dieléctrico normal [45][49].

Figura 3.1. Efecto piezoeléctrico directo e inverso. Adaptado de [15]

Una cerámica piezoeléctrica es una masa de cristales de perovskita. Cada cristal se compone por un pequeño ion de metal tetravalente dispuesto dentro de una cuadrícula de un gran ion de metal divalente y oxígeno tal como se ve en la Figura 3.2. Para la preparación de una cerámica piezoeléctrica, polvos muy finos de óxidos metálicos son mezclados en proporciones específicas, posteriormente estos polvos son mezclados con

1

La temperatura de Curie Tc para los cristales piezoeléctricos, es la temperatura a la cual éstos

cambian de un estado polarizado a baja temperatura a un estado no polarizado a temperatura alta, destruyendo el efecto ferroeléctrico debido a la agitación térmica [51]

38 Diseño de un Colector de Energía Piezoeléctrico (Energy Harvesting)

un aglutinante orgánico y el resultado de dicha mezcla es dispuesto en formas específicas (discos, barras, placas, etc), las cuales son sometidas a altas temperaturas durante un tiempo determinado. Como resultado de este proceso, las partículas de polvo sinterizado y el material, forman una estructura cristalina muy densa que a continuación es enfriada y de ser necesario cortada, finalmente los electrodos son aplicados en las superficies adecuadas de la estructura [52].

Por encima de la temperatura crítica, también conocida como la temperatura de Curie, cada cristal de perovskita en el elemento cerámico previamente calentado, exhibe una simetría cúbica simple sin momento dipolar, tal como se ve en la Figura 3.2; sin embargo, a temperaturas inferiores de la temperatura de Curie cada cristal tiene simetría tetragonal, y asociado con esto, un momento dipolar[52].

Figura 3.2. Estructura cristalina de una cerámica piezoeléctrica antes y después de ser polarizada (Pb: Plomo, O2: Oxígeno, Ti: Titanio, Zr: Circonio). Adaptado de [52]

Dipolos adyacentes forman regiones de alineamiento local llamadas dominio, esta alineación da un momento dipolar neto para el dominio y de esta manera una polarización neta. Como se muestra en la Figura 3.3a, la dirección de polarización entre los dominios vecinos es aleatoria, en consecuencia la cerámica no se encuentra polarizada. Al ser expuesta dicha cerámica a un fuerte campo eléctrico DC, usualmente a una temperatura que se encuentra ligeramente por debajo de la temperatura de Curie,

Capítulo 3 39

los dominios que posee son alineados (Figura 3.3b), lo cual se conoce como proceso de polarización. Después de este tratamiento, los dominios que mejor alineados quedaron, debido al campo eléctrico al que se sometieron, se expanden a costa de los dominios que no se alinearon, por tanto el elemento cerámico se expande en la dirección del campo. Cuando dicho campo eléctrico es retirado, la mayor parte de los dipolos permanecen en una configuración de alineamiento tal como se observa en la Figura 3.3c. De esta manera, la cerámica piezoeléctrica queda con una polarización y elongación permanente, sin embargo esta elongación no es muy alta (por lo general oscila en el rango de los micrómetros) [52].

Figura 3.3. Proceso de polarización: (a) Antes de la polarización los dominios polares se encuentran orientados aleatoriamente. (b) Un gran campo eléctrico DC es aplicado para

la polarización. (c) Al quitar el campo eléctrico aplicado la polarización remanente permanece. Adaptado de [52]

Las propiedades de una piezocerámica polarizada, tanto para el efecto directo (sensor) como para el inverso (actuador), son analizadas en la Figura 3.4. Para el efecto inverso, cuando se le aplica un campo eléctrico en la dirección opuesta a la de polarización, la cerámica sufre una contracción en la dirección de polarización, disminuyendo así el tamaño de su diámetro (Figura 3.4b). Cuando el campo eléctrico es aplicado en el mismo sentido que el de polarización, la cerámica se expande en dirección perpendicular a la dirección de polarización, aumentando su diámetro (Figura 3.4c). En cuanto al efecto directo, cuando se aplica una fuerza que comprime la piezocerámica en la dirección de

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polarización o se ejerce una tracción perpendicular a la misma, ésta genera una diferencia de potencial con la misma polaridad con la que fue polarizada (Figura 3.4d), mientras que si una tracción mecánica es aplicada en la dirección de polarización o una compresión es aplicada perpendicularmente a la dirección de polarización, éstas generarán un voltaje con la polaridad opuesta a la de polarización [52].

Figura 3.4. Comportamiento de un material piezoeléctrico en aplicación como sensor o actuador. (a) Dirección de polarización. (b) Campo eléctrico aplicado con la misma polaridad que el de polarización. (c) Campo eléctrico aplicado con la polaridad opuesta al

de polarización. (d) Compresión aplicada en la dirección de polarización. (e) Tracción aplicada en la dirección de polarización. Adaptado de [45]