Paso 1: ¿Qué es la piezoelectricidad?
La piezoelectricidad es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos (tales como cristales, ciertas cerámicas y materia biológica tal como hueso, DNA y proteínas diferentes) en respuesta a la tensión mecánica aplicada. La piezoelectricidad palabra significa electricidad resultante de la presión. Se deriva de la palabra griega piezoeléctrico o piezein, que significa apretar o presionar, y eléctrico o electrón, que significa ámbar, una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico es entendido como la interacción electromecánica lineal entre el mecánico y el estado eléctrico en materiales cristalinos con ninguna simetría inversión. El efecto piezoeléctrico es un proceso reversible que materiales exhibe el efecto piezoeléctrico directo (la generación interna de la carga eléctrica resultante de una fuerza mecánica aplicada) también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso (la generación interna de una tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado).
La naturaleza del efecto piezoeléctrico está estrechamente vinculada a la aparición de momentos de dipolo eléctricos en sólidos. Éste bien puede ser inducida por los iones en los sitios del enrejado cristalino con entorno de carga asimétrica o puede llevarse directamente por grupos moleculares. La densidad del dipolo o polarización (dimensionalidad [Cm/m3]) puede fácilmente calcularse para cristales sumando los momentos de dipolo por volumen de la celda unidad cristalográfica. Como cada dipolo es un vector, la densidad del dipolo P es un campo del vector. Dipolos cercanos entre sí tienden a alinearse en regiones denominadas dominios de Weiss. Los dominios generalmente están orientados al azar, pero se pueden alinear con el proceso de polarización (no igual polarización magnética), un proceso por el cual un campo eléctrico fuerte se aplica en todo el material, generalmente en las temperaturas elevadas. No todos los materiales piezoeléctricos pueden ser polarizados.
De importancia decisiva para el efecto piezoeléctrico es el cambio de polarización P cuando se aplica una tensión mecánica. Esto tampoco ocasionado por una reconfiguración de los alrededores de dipolo induciendo o por reorientación de momentos de dipolo moleculares bajo la influencia de la tensión externa. La piezoelectricidad puede manifestar entonces en una variación de la resistencia de polarización, su dirección o ambos, con los detalles dependiendo
1. la orientación de P en el cristal,
2. simetría cristal y
3. la tensión mecánica aplicada. El cambio en P aparece como una variación de densidad de carga superficial sobre las caras del cristal, es decir, como una variación del campo eléctrico que se extiende entre las caras causadas por un cambio en la densidad del dipolo en el bulto. Por ejemplo, un 1 cm3 cubo de cuarzo con 2 kN (500 lbf) de la fuerza correctamente aplicada puede producir una tensión de 12500 V.
