El efecto piezoeléctrico se refiere al fenómeno en el que ciertos materiales generan una carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Por el contrario, estos materiales también se deforman cuando se los somete a un campo eléctrico. Esta doble capacidad de convertir energía mecánica en energía eléctrica (y viceversa) se conoce como efecto piezoeléctrico. Ocurre en cristales, cerámicas y ciertos materiales biológicos, lo que les permite actuar como sensores, actuadores y transductores en diversas aplicaciones tecnológicas.
El efecto piezoeléctrico se define como la generación de carga eléctrica o voltaje a través de ciertos materiales cuando se les tensiona o deforma mecánicamente. Este efecto fue descubierto por primera vez por Pierre Curie y Jacques Curie en 1880, observado inicialmente en cristales como el cuarzo, que presentaban polarización eléctrica cuando se sometían a presión mecánica. El fenómeno surge debido a la asimetría en la estructura cristalina de los materiales piezoeléctricos, lo que les permite convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa con alta eficiencia.
La piezoelectricidad implica la capacidad de ciertos materiales de generar una carga eléctrica en respuesta a una tensión mecánica aplicada. Un ejemplo de piezoelectricidad lo encontramos en los cristales de cuarzo utilizados en los relojes de cuarzo. En estos dispositivos, la presión mecánica o la tensión aplicada al cristal hacen que se deforme ligeramente, generando una pequeña carga eléctrica en sus superficies. Esta carga se utiliza luego para alimentar los circuitos de cronometraje del reloj o para sincronizar su funcionamiento con un estándar de frecuencia externo. La estabilidad de frecuencia precisa y confiable de los cristales de cuarzo los hace ideales para su uso en aplicaciones electrónicas y de cronometraje donde la precisión es crucial.
Un dispositivo piezoeléctrico es cualquier dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para convertir energía mecánica en energía eléctrica o viceversa. Estos dispositivos están construidos a partir de materiales piezoeléctricos como el cuarzo, cerámicas como el titanato de circonato de plomo (PZT) o ciertos polímeros. Los ejemplos incluyen sensores piezoeléctricos utilizados en aplicaciones industriales para detectar presión, fuerza o aceleración, y actuadores piezoeléctricos utilizados en sistemas microelectromecánicos (MEMS) para controlar con precisión el movimiento o la vibración. Los dispositivos piezoeléctricos también se emplean en imágenes médicas por ultrasonido, recolección de energía a partir de vibraciones y transductores acústicos.
La física detrás de la piezoelectricidad reside en la estructura cristalina de los materiales piezoeléctricos. Estos materiales tienen una red cristalina no centrosimétrica, lo que significa que sus cargas positivas y negativas no están distribuidas simétricamente. Cuando se aplica tensión mecánica a dicho material, se produce un desplazamiento de cargas positivas y negativas dentro de la red cristalina, lo que da como resultado un momento dipolar eléctrico y la generación de un campo eléctrico. Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico a través del material, se induce una deformación mecánica debido a la realineación de los dipolos eléctricos. Este acoplamiento entre la tensión mecánica y la polarización eléctrica forma la base de la piezoelectricidad, lo que permite su aplicación en diversos campos que van desde sensores y actuadores hasta recolección de energía y dispositivos médicos.