08 Propiedades piezoeléctricas-

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Ingeniería de Materiales 91 
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 eje determinado 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 se debe analiza la estructura cristalina de estos materiales. 
Como se sabe, 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 son el 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. 
 
Para el análisis del fenómeno (existencia de momentos dipolares moleculares), en particular 
interesa la forma de la celda unidad del piezoeléctrico 
 
Estructura de Pirovskita 
La celda consta de 3 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 octaédrico limitado por los oxígenos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Celda simétrica Celda sin centro de inversión 
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La estructura distorsionada, con B desplazado, fuera del centro del cubo, no tiene centro de 
inversión (rotada a 180º no se obtiene la misma configuración). 
 En este caso, el centro de cargas negativas no coincide con el centro de cargas 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 la forma 
de conseguir piezoeléctricos mejorados, como el BaTiO3, PbTiO3 y otros. 
El efecto piezoeléctrico se debe a que los momentos dipolares presentes 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 el momento resultante. La resistencia 
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. 
Hoy en día los piezoeléctricos tienen una gran variedad de aplicaciones en la tecnología. El efecto 
piezoeléctrico directo es utilizado para obtener movimientos pequeños, precisos y rápidos, 
conociendo cuál será su respuesta mecánica frente a un cierto voltaje aplicado. Así se consiguen 
movimientos menores que el radio de un átomo para microscopios de muy alta resolución. 
La sal NaKC4H4O6 es una de las sustancias naturales que presenta efectos piezoeléctricos elevados, 
pero tiene el inconveniente de que sus propiedades cambian de manera considerable con la 
temperatura, haciéndola inapropiada para aplicaciones industriales. En estos casos se utiliza el 
cuarzo o los materiales cerámicos mejorados. 
Una aplicación importante de los materiales piezoeléctricos es en transductores de ultrasonido 
para detección de defectos internos en componentes de estructura interna cristalina, ordenada.