Ferroelectridad Y Piezoelectricidad

Trabajo Especial
Cátedra de Química General para Ingeniería
1er semestre 2001








Tema:
Piezoelectricidad









Alumnos:
Evangelista, Carolina (#50.851)
Jáuregui Lorda, Esteban (#50.847)
Piezoelectricidad

En el año 1880 los hermanos Curie descubrieron un efecto sumamente interesante: un cristal, al ser sometido a una presión mecánica a lo largo de un ejedeterminado desarrollaba una diferencia de potencial entre sus caras.
Al año siguiente comprobaron experimentalmente su efecto recíproco: frente a campos eléctricos externos, estos cristales evidenciaban una deformación mecánica. Esta propiedad fue llamada piezoelectricidad, y a dichos materiales piezoeléctricos.

Para explicar este fenómeno debemos volcar nuestra atención en la estructuracristalina de estos materiales.
Como sabemos, las moléculas pueden ser polares o no polares, aunque la suma de los momentos internos del cuerpo sea cero. Algunos materiales no solo están compuestos por moléculas polares, sino que éstas están alineadas en lo que se conoce como dominios.
Así, el objeto presenta un momento dipolar neto observable y permanente. Estos objetos son llamados electretos y sonel equivalente eléctrico de un imán. Sin embargo no son tan útiles pues las cargas del aire anulan rápidamente a las cargas de polarización y hacen que no se observen campos eléctricos resultantes.

Analicemos el por qué de estos momentos dipolares moleculares. En particular nos interesa la forma de la celda unidad de virtualmente todos los piezoeléctricos: la pirovskita.
Esta celda consta de3 elementos, y es característica de compuestos de la forma ABO3; donde A y B son cationes cuya suma de estados de oxidación es +6, y O oxígeno.
A es un catión de tamaño comparable al oxigeno, y ambos forman un empaquetamiento cúbico centrado en las caras (A en los vértices y O en las caras).
B es un catión pequeño que ocupa el hueco octahédrico limitado por los oxígenos.

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Estructurade Pirovskita

Esta estructura está generalmente distorsionada, presentando a B desplazado, fuera del centro exacto del cubo. Se dice que esta celda, así distorsionada, no tiene "centro de inversión": al ser rotada 180º no se obtiene la misma configuración.

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Estructura de Pirovskita sin centro de inversión

En este caso, el centro de cargas negativas no coincide con el centro decargas positivas y la celda unidad presenta un momento dipolar permanente. Si los momentos dipolares en el material predominan en un sentido, el material será un electreto. Si, en cambio, están dispuestos al azar, el material puede prepararse alineando dichos momentos dipolares moleculares mediante campos eléctricos grandes (> a 2kV/mm2) a temperaturas cercanas a la temperatura Curie. Esta es laforma de conseguir piezoeléctricos mejorados, como el BaTiO3, PbTiO3 y otros.

Para comprender el efecto piezoeléctrico se debe entender que los momentos dipolares explicados anteriormente están íntimamente ligados a la estructura física del material.
Es por ello que una deformación mecánica (en el sentido adecuado) altera ese conjunto de momentos levemente y, por ende, al momento resultante. Laresistencia interna es muy grande y las cargas del aire no anulan inmediatamente la nueva distribución de cargas de polarización, por lo que se observa una diferencia de potencial neta transitoria en las caras del cristal (hasta que las cargas libres del aire vuelven a anular el efecto de las internas). Dichos voltajes pueden ser del orden de los 10 kV, como en los encendedores comunes.

Uncristal piezoeléctrico colocado en un campo eléctrico variable reaccionará de forma variable en armonía con el campo. En particular, si se lo coloca entre dos placas metálicas conectadas a un generador de corriente alterna (el cual produce un voltaje variable de acuerdo a una onda sinusoidal) el cristal deberá responder con un movimiento oscilante que intentará simular dicho voltaje oscilante....