Piezoelectricidad ( / ˌ p iː z oʊ -, ˌ p iː t s oʊ -, p aɪ ˌ iː z oʊ - / , US : / p i ˌ eɪ z oʊ -, p i ˌ eɪ t s oʊ - / ) [1 ] es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos, como cristales , ciertas cerámicasy materia biológica como huesos, ADN y diversas proteínas, en respuesta al estrés mecánico aplicado . [2] La palabra piezoelectricidad significa electricidad resultante de la presión y el calor latente. Se deriva de la palabra griega πιέζειν ; piezein , que significa apretar o presionar, y ἤλεκτρον ēlektron , que significa ámbar , una antigua fuente de carga eléctrica. [3] [4]
El efecto piezoeléctrico resulta de la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico en materiales cristalinos sin simetría de inversión . [5] El efecto piezoeléctrico es un proceso reversible : los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso: la generación interna de una deformación mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, titanato de circonato de plomoLos cristales generarán piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforme en aproximadamente un 0,1% de la dimensión original. Por el contrario, esos mismos cristales cambiarán aproximadamente un 0,1% de su dimensión estática cuando se aplique un campo eléctrico externo. El efecto piezoeléctrico inverso se utiliza en la producción de ondas ultrasónicas . [6]
Los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880. [7] El efecto piezoeléctrico se ha explotado en muchas aplicaciones útiles, incluida la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica , la generación de electricidad de alto voltaje, como un generador de reloj en dispositivos electrónicos. , en microbalanzas , para accionar una boquilla ultrasónica , y en enfoque ultrafino de conjuntos ópticos. Constituye la base de los microscopios de sonda de barrido que resuelven imágenes a escala de átomos . Se utiliza en las pastillas de algunosguitarras amplificadas electrónicamente y como disparadores en la mayoría de las baterías electrónicas modernas . [8] [9] El efecto piezoeléctrico también encuentra usos cotidianos, como la generación de chispas para encender aparatos de calefacción y cocina a gas, antorchas y encendedores de cigarrillos .
El efecto piroeléctrico , por el cual un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII. Basándose en este conocimiento, tanto René Just Haüy como Antoine César Becquerel postularon una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica; sin embargo, los experimentos de ambos no resultaron concluyentes. [10]
La primera demostración del efecto piezoeléctrico directo fue en 1880 por los hermanos Pierre Curie y Jacques Curie . [11] Combinaron su conocimiento de la piroelectricidad con su comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes que dieron lugar a la piroelectricidad para predecir el comportamiento de los cristales, y demostraron el efecto utilizando cristales de turmalina , cuarzo , topacio , azúcar de caña y sal de Rochelle (tartrato de sodio y potasio tetrahidrato). El cuarzo y la sal de Rochelle exhibieron la mayor piezoelectricidad.
Sin embargo, los Curie no predijeron el efecto piezoeléctrico inverso. El efecto inverso fue deducido matemáticamente de los principios termodinámicos fundamentales por Gabriel Lippmann en 1881. [12] Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso, [13] y pasaron a obtener una prueba cuantitativa de la reversibilidad completa de la electroelasto-mecánica. deformaciones en cristales piezoeléctricos.