Experimental identification of piezo actuator characteristic

Identificación experimental de la característica del actuador piezoeléctrico

Este artículo trata del material piezoeléctrico, que puede utilizarse como actuador para la conversión de energía eléctrica en trabajo mecánico. Se ha desarrollado un equipo de ensayo para la prueba experimental de los piezoactuadores. La piezoactividad de este actuador tiene características no lineales. Este tipo de actuador se utiliza para el diseño de mecanismos en tuberías.

INTRODUCCIÓN

La primera demostración del efecto piezoeléctrico directo fue realizada en 1880 por los hermanos Pierre Curie y Jacques Curie. Combinaron sus conocimientos sobre la piroelectricidad con su comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes que daban 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 sódico potásico tetrahidratado). El cuarzo y la sal de Rochelle mostraron la mayor piezoelectricidad.

Sin embargo, los Curie no predijeron el efecto piezoeléctrico inverso. El efecto inverso fue deducido matemáticamente a partir de principios termodinámicos fundamentales por Gabriel Lippmann en 1881. Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron pruebas cuantitativas de la reversibilidad completa de las deformaciones electroelectromecánicas en los cristales piezoeléctricos.

El efecto piezoeléctrico se entiende como la interacción electromecánica lineal entre el estado mecánico y el eléctrico en materiales cristalinos sin simetría de inversión. El efecto piezoeléctrico es un proceso reversible en el sentido de que los materiales que presentan el efecto piezoeléctrico directo (la generación interna de carga eléctrica resultante de una fuerza mecánica aplicada) también presentan el efecto piezoeléctrico inverso (la generación interna de una tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado) (Figura 1). Por ejemplo, los cristales de titanato de circonato de plomo generarán piezoelectricidad mensurable cuando su estructura estática se deforme aproximadamente un 0,1% de la dimensión original. A la inversa, los mismos cristales cambiarán aproximadamente un 0,1 % de su dimensión estática cuando se aplique un campo eléctrico externo al material.

El efecto piezoeléctrico inverso se utiliza en la producción de ondas sonoras ultrasónicas o puede emplearse como piezoactuador. La cerámica piezoeléctrica más utilizada es el titanato de circonato de plomo (PbZrO₃-PbTiO₃ o PZT), pero también otros materiales cerámicos, como el titanato de bario, presentan el efecto.