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FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACION
EFECTOPIEZOELECTRICO
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CARTA DE PRESENTACION
Con la siguiente información se espera dar a conocer el funcionamiento, la
importancia, y los beneficios de utilizar una energía renovable, como lo es el
efecto piezoeléctrico.
Está claro cuáles son los beneficios de utilizarla, es mucho más limpia que los
combustibles usados convencionalmente para producir energía; otra ventaja de
usa esta forma de energía renovable es que, la misma no puede ser agota.
Una gestión responsable y eficiente de los recursos naturales posiciona los
proyectos de energías renovables en un sector de mercado medioambientalmente
responsable, proporcionando así un valor económico mayor a las empresas y a
la sociedad.
Lo anterior mencionado, pensando en proporcionar alternativas para generar
energía eléctrica, ya que, esta energía es el combustible de los avances de la
sociedad.
La presente investigación menciona los distintos tipos de energías, pero se
enfoca más en particular a estudiar el EFECTO PIEZOELECTRICO. El cual trata
de la generación de energía por medio de presión.
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INDICE
CAPITULO 1. PROBLEMA.
1.1Planteamiento del problema.
1.2 Descripción del problema.
1.3 Preguntas de investigación.
1.4 Objetivos.
1.4.1 General.
1.4.2 Específicos.
1.5 Justificación.
1.6 Marco de referencia.
1.6.1 Factibilidad económica, operativa y de tiempo.
1.6.2 Relevancia. Social.
1.6.3 Profesional.
1.6.4 Científica.
1.6.3 Referencia bibliográfica.
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CAPITULO 2. MARCO TEORICO
2 ¿Qué es la energía eléctrica? 17
2.1 Fuentes de energía 17
2.1.1 No renovables 17
2.1.1.1 Energía fósil 17
2.1.1.1.1 Petróleo 18
2.1.1.1.2 Carbón 18
2.1.1.1.3 Gas natural 18
2.1.2 Energía nuclear
2.1.2.1 Centrales Nucleares
2.1.3 Renovables o verdes
2.1.3.1 Energía Eólica
2.1.3.2 Energía Solar
2.1.3.2.1 Centrales Fotovoltaicas
2.1.3.3 Energía termoeléctrica o térmica
2.1.3.4 Energía Geo-térmica
2.1.3.5 Centrales de ciclo combinado
2.1.3.6 Centrales Hidroeléctricas
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2.2 ¿Cómo se produce la energía eléctrica?
2.2.1 Por medio de química
2.2.2 Por medio de mecánica
2.2.3 Por medio de térmica o luminosa
2.2.3.1 Por calor
2.2.3.2 Por luz
2.2.4 Por medio de presión
2.3 ¿Qué es la energía alternativa?
2.4 Efecto piezoeléctrico
2.4.1 Funcionamiento del efecto
2.4.2 Materiales Piezoeléctricos
2.4.3 Aplicaciones del Efecto Piezoeléctrico
CAPITULO 3. HIPOTESIS
3.1 Planteamiento de hipótesis
3.1.1 Hipótesis de investigación
3.1.2 Hipótesis alternativa
3.2 Fuentes de hipótesis
3.3 Variable
3.3.1 Independiente
3.3.2 Dependiente
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3.4 Operalizacion de hipótesis
CAPITULO 4. METODOLOGIA.
4.1 Técnicas de recolección
4.1.1 Instrumento de recolección
4.2 Muestra
4.2.1 Tipo de muestra
4.2.2 Tamaño de la muestra
4.2.3 Características de la muestra
4.3 Análisis de la información
4.4 Resultados
Conclusiones
Bibliografía
Anexos
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RESUMEN
La idea a investigar sobre como podemos aprovechar la energía producida por la
presión (aplicación del efecto piezoeléctrico), posee primordialmente un enfoque
cualitativo, pero también aborda datos, los cuales ya nos hablan de un enfoque
cuantitativo.
Se evaluarán a través de todo el proceso de investigación, entre otras cosas las
diferentes formas en las que hoy en día se produce energía eléctrica, el concepto
y funcionamiento del Efecto Piezoeléctrico, además de evaluar las hipótesis
acerca del aprovechamiento del efecto piezoeléctrico.
La presente investigación se realiza con el fin de aportar ideas al tema de la
exploración, localización, y desarrollo de nuevas energías renovables, debido a
que la mayor parte de la producción energética a escala global depende de la
fuentes no renovables de energía, y que las economías desarrolladas o en
vías de desarrollo presentan una dependencia respecto de las materias
primas no renovables , ante esta situación, se busca proponer una fuente de
energía alterna que pueda suplir a las utilizadas mayoritariamente y, sobre todo,
que sea segura, en la presente investigación se propone la utilización del Efecto
Piezoeléctrico.
El efecto piezoeléctrico, es un fenómeno físico que presentan algunos cristales
debido al cual, aparece una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre ciertas
caras del cristal cuando éste se somete a una deformación mecánica y se
denomina efecto piezo-eléctrico directo.
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INTRODUCCIÓN AL TEMA
La importancia de la electricidad radica en que es una de las principales formas de
energía usadas en el mundo actual. Sin ella la iluminación, comunicación,
teléfono, radio, no existiría y las personas que tuvieran que prescindir de aparatos
eléctricos que ya llegaron a constituir parte integral del hogar. Además sin la
electricidad el campo del transporte no sería lo que es en la actualidad. De hecho
puede decirse que la electricidad se usa en todas partes.
En el futuro será aún más importante. Por lo tanto, es primordial el desarrollo de
nuevas energías, y que mejor aun que sean renovables, tanto para controlar la
producción y emisión de gases y desechos contaminantes como para poder lograr
un desarrollo sustentable.
Los beneficios de utilizar energías renovables es un tema de gran exploración, a
nivel medioambiental está claro cuáles son sus beneficios, son mucho más limpias
que los combustibles usados convencionalmente para producir energía.
Pero si nos centramos a nivel empresarial, la utilización de la energía eléctrica, es
un reto que compromete de lleno la actividad empresarial con la necesidad de un
crecimiento sostenible y responsable con el medio ambiente. Analizando las
repercusiones que las energías renovables tienen de forma positiva sobre los
proyectos de cualquier empresa podemos encontrar:
La utilización de energías renovables se traduce directamente en mejoras
de la gestión de los recursos, minimización del consumo energético, y por lo
tanto una gran fuente de ahorro de recursos.
Una gestión responsable y eficiente de los recursos naturales, utilizados
para producir energía eléctrica, posiciona los proyectos de energías renovables
en un sector de mercado medioambientalmente responsable, proporcionando
así un valor añadido que las empresas pueden aportar a la sociedad.
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Las medidas de eficiencia energética y el uso de las energías renovables pueden
crear nuevas alternativas revolucionarias para la vida y constituir un instrumento
para cambiar el futuro de nuestro planeta.
Por estas razones, hemos decidido emprender la siguiente investigación, la cual
busca como generar energía renovable utilizando las calles, carreteras, vías del
ferrocarril, para definir mejor cualquier superficie que reciba una presión, una
innovadora forma de generar energía.
El tema ha desarrollar es:
¿Cómo utilizar el efecto piezoeléctrico para producir electricidad aprovechando la
energía de fricción o presión de dos cuerpos?
ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN
La idea a investigar sobre como podemos aprovechar la energía producida por la
presión (aplicación del efecto piezoeléctrico), posee primordialmente un enfoque
cualitativo, pero también aborda datos, los cuales ya nos hablan de un enfoque
cuantitativo. Aquí se está planteando un problema de estudio concreto, en el que
las preguntas de investigación son muy específicas en cuanto al tema que se va a
investigar y recolectar la información necesaria mediante la revisión de la
literatura. También, se evaluarán a través de todo el proceso de investigación
diferentes hipótesis acerca del aprovechamiento del efecto piezoeléctrico, así
generando una teoría con aquellas hipótesis que sean comprobadas como
correctas. Otra característica del enfoque cuantitativo de esta investigación es que
la recolección de los datos son productos de mediciones, por ejemplo, la cantidad
de corriente eléctrica que produce el cristal al ser sometido a presión. Se pretende
explicar también como y de donde se obtiene energía mediante la idea ya
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mencionada, buscando que todos los elementos principales de dicha idea posean
una relación causal, explicando y prediciendo aquellas teorías que puedan surgir.
DELIMITACIÓN ESPACIAL Y TEMPORAL
Al plantear este problema de enfoque cualitativo, se toman en cuenta que la
investigación se da en términos concretos, por lo que es susceptible de
investigarse con métodos puramente científicos. Además la delimitación de un
planteamiento cuantitativo nos permite reducir nuestro problema de investigación
a, por decirlo así, dimensiones más pequeñas o prácticas donde podremos
realizar más concretamente los estudios investigativos.
La delimitación espacial se refiere a la limitación física de la investigación, por lo
que en esta investigación la delimitación espacial comprende a dos factores: el
cristal de cuarzo y la producción de corriente eléctrica y su aplicación en motores
que funcionen con corriente directa y al alumbrado público.
La delimitación temporal: La actual idea de investigación pretende llevarse a cabo
durante un periodo que comprende los meses de octubre y noviembre, en donde
la etapa de recolección de información se llevará a cabo durante el primer mes y la
segunda etapa de experimentación es realizada en el mes de noviembre.
ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN
La presente investigación posee un alcance de investigación exploratorio, aparte
de que se desconoce parte del tema, se le da una perspectiva diferente a un tema
previamente estudiado. Si el tema actual de la investigación es el efecto
piezoeléctrico, en la idea actual se le ve por el lado del aprovechamiento de la
energía que produce este efecto. Si se le ve de esta manera, es visto como
exploratorio. Como comentario, el efecto piezoeléctrico en la actualidad se le dan
aplicaciones de menor importancia o menos relevantes al de la idea de
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investigación, como lo es en los relojes de cuarzo, el mecanismo de chispa de
algunos encendedores, o en básculas para pesar cantidades muy grandes.
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Actualmente tenemos graves problemas con las fuentes "no renovables" de
energía que son utilizadas para generar energía eléctrica. Todos sabemos que el
petróleo, el gas y el carbón, están llegando a su límite.
Para el año 2030 se habrán agotado las reservas existentes y nos encontraremos
en graves problemas. Necesitamos explorar y localizar nuevas reservas, y además
es necesario al mismo tiempo desarrollar energías renovables.
1.2 Descripción del problema.
Si raspamos un metal contra un objeto saltan chispas o sea; hay una
manifestación de energía. Si golpeamos un clavo también ocurre lo mismo.
Algunos materiales tienen la capacidad de producir electricidad cuando se la
somete a esfuerzos mecánicos. A esto se llama el efecto piezoeléctrico.
Esto puede ser causado por golpes o presionando el material lo suficiente
como para deformar su fractura cristalina.
Es decir, es posible la producción de energía eléctrica a partir de la aplicación de
presión. Por ejemplo existen estudios para usar el efecto piezoeléctrico para
generar de energía a partir de los latidos del corazón o presión sanguínea.
Estos estudios nos dan la pauta para investigar la utilización de estos principios
para aplicarlos, y por mencionar algunos ejemplos, podríamos encender luces por
el paso de transeúntes o construir carreteras que generan electricidad.
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Figura 1.1 Energía por presión (Navarro A.1991)
1.3 PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN.
Las incógnitas generadas por lo anterior expuesto son las siguientes:
¿Qué es el Efecto Piezoeléctrico?
¿Por qué estudiar el Efecto Piezoeléctrico?
¿Cómo funciona el Efecto Piezoeléctrico?
¿Cuáles son los materiales Piezoeléctricos?
¿Cuáles son las propiedades de los materiales piezoeléctricos?
¿Dónde se puede aplicar el fenómeno de la piezoelectricidad?
¿Qué ventajas tiene la generación de energía eléctrica por medio de la
piezoelectricidad?
1.4 OBJETIVOS.
1.4.1 GENERAL.
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Comprender el funcionamiento del Efecto Piezoeléctrico, una energía renovable,
para poder crear por medio de este una tensión de voltaje, y minimizar el gasto de
energía no renovable.
1.4.2 ESPECÍFICOS.
Relacionar las propiedades de los cuarzos piezoeléctricos con la
generación de electricidad.
Reconocer los factores que en un cristal piezoeléctrico que hacen posible
poder crear una tensión de voltaje.
Entender de que manera se ve afectada la generación de electricidad, por
la presión y el tamaño de un cristal piezoeléctrico.
Saber cuanta energía puede llegar a producir produce un cristal
piezoeléctrico.
1.5 JUSTIFICACIÓN.
Hoy en día, la mayor parte de la producción energética a escala global depende
de la fuentes no renovables de energía, que, en su estado actual, no ofrecen
garantías suficientes de seguridad por la generación de residuos, que suponen un
elevado grado de peligrosidad y, sobre todo, un fuerte potencial de deterioro
ambiental para las generaciones futuras, ni tampoco la capacidad de sostener el
requerimiento de la población.
Es conocida la dependencia que experimentan las economías desarrolladas o en
vías de desarrollo respecto de las materias primas no renovables y contaminantes
–las energías fósiles- y son numerosos los debates que se dirigen, por un lado, a
frenar el deterioro ambiental y, por otro, a buscar alternativas a dicha dependencia
que permitan la sustitución parcial de las energías fósiles por medio del
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aprovechamiento de energías naturales para lograr tener un desarrollo
sustentable..
Ante esta situación, en busca de fuentes de energía alternativas que puedan suplir
a las utilizadas mayoritariamente y, sobre todo, que sean seguras, en la presente
investigación se propone la utilización de una nueva fuente, el Efecto
Piezoeléctrico.
1.6 MARCO DE REFERENCIA.
1.6.1 Factibilidad económica, operativa y de tiempo
Al proponer el uso de una fuente alternativa de energía, como lo es el Efecto
Piezoeléctrico, nos queda claro, por experiencia, que el uso de una fuente de
energía no renovable, no es del todo económico, si no que mas bien representa
una inversión considerable, pero que a largo plazo resulta ser mucho mas factible,
reduciendo costo, y si no eliminando, minimizando el uso de energía no renovable.
El uso del Efecto Piezoeléctrico no es la excepción, pues tiene un costo
relativamente elevado, pero como ya se ha mencionado antes a largo plazo
resulta mucho mas barato.
Por otro lado, la construcción de los dispositivos convenientes para lograr la
generación de energía por medio del Efecto Piezoeléctrico, no resulta ser de un
procedimiento que requiera demasiado tiempo para ello, ni tampoco requiere de
una gran aplicación de técnicas de construcción.
1.6.2 Relevancia
Para efectos de importancia, según los objetivos que hemos fijado, la presente
investigación, esperamos y cumpla con las siguientes expectativas:
1.6.2.1 Relevancia social
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Reflexionar sobre la necesidad de nuevas fuentes de energía y su relación con el
desarrollo de la sociedad. Relacionado con ello, analizar también las posibilidades
de un cambio real en los niveles de producción y consumo de energías
renovables, más limpias y respetuosas con el medio, proporcionando así un mejor
lugar donde vivir a nuestros hijos y a las nuevas generaciones.
1.6.2.2 Relevancia profesional.
Ayudar a entender el funcionamiento de ciertos materiales que, debido a sus
propiedades, generan energía eléctrica, y a partir de ahí sentar las bases para
posteriormente desarrollar y crear dispositivos que podrán implementarse en la
generación de energía eléctrica.
Las empresas que necesitan un gran suministro de energía podrían reducir
gastos. Y solo ocuparían que hubiese algo o alguien que pudiera generar presión
a los cristales piezoeléctricos, ya sea transitando o golpeando a una distancia
cercana, podría entonces generarse electricidad para su fines de trabajo.
En lugares concurridos por personas se podría instalar este sistema el cual podría
alimentar bombillas eléctricas para que los caminos no estuviesen tan oscuros.
1.6.2.3 Científica.
Nuestro proyecto ayudaría a la comunidad científica de tal manera que se
estudiaría mas a fondo de que manera se puede incrementar la eficiencia de los
cuarzos piezoeléctricos, involucrando este estudio la estructura de un cristal
piezoeléctrico, su tamaño, y el saber de que manera se crea un cristal
piezoeléctrico.
1.6.3 Referencia bibliográfica.
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Domínguez, José A. (1997); Energía y medio ambiente: una perspectiva social.
Bifani, Pablo (1999); Electricidad y desarrollo sostenible
Arroyo, M. (2007); El debate sobre la crisis energética global
Askeland, Donald R. (2005); Ciencia e ingeniería de los materiales
Feito García, A. (2006). Las energías alternativas- Efecto Piezoeléctrico. Revista
de Occidente, nº 286, 2006, p. 110-123.
CAPITULO 2. MARCO TEORICO.
2 ¿Qué es la energía eléctrica?
Se denomina energía eléctrica a la forma de ene r g í a q ue resulta de la existencia
de una d i f eren c i a de po t en c i al e ntre dos puntos, lo que permite establecer
una cor r i en t e e l éc t r i ca e ntre ambos —cuando se les coloca en contacto por medio
de un con d uc t or e l éc t r i c o —para obtener t ra b a jo . La energía eléctrica puede
transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa
o l uz, la ene r g í a m ecán i c a y la ene r g í a t ér m i c a .
2.1 FUENTES DE ENERGÍA.
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2.1.1 No renovables.
2.1.1.2 Energía fósil.
La mayor parte de la ene r g í a e mpleada actualmente en el mundo proviene de
los combustibles fósiles.
Los combustibles fósiles son recursos no r enov a b l e s : no se reponen por procesos
biológicos
2.1.1.2.1 Petróleo.
El petróleo es un líquido oleoso compuesto de ca r bono e h i dr ó geno en distintas
proporciones. Se encuentra en profundidades que varían entre los 500 y los 4.000
metros Actualmente, las re fi ner í as y las i n dus t r i as pe t ro q u í m i cas ex traen del
petróleo diferentes productos para distintas aplicaciones: g as
l i cu a d o , gas o li n a , d i ese l , a c e i t es l ub r i can t e s , además de numerosos subproductos
que sirven para fabricar p i n t uras, d e t ergen t e s , p l ás t i cos, cos m é t i cos, f er t ili z an t es y
otros muchísimos artículos.
2.1.1.2.2 Carbón.
El carbón que corresponde al combustible fósil es aquel que conocemos como
carbón mineral. Se extrae desde m i nas bajo tierra, y no necesita ser refinado para
utilizarse. En nuestro país, se estima que en los próximos años el consumo de
carbón descienda, debido a la introducción del gas natural.
2.1.1.2.3 Gas natural.
El gas natural está compuesto principalmente por me t an o , un compuesto químico
hecho de á t omos de carbono e hidrógeno. Se encuentra bajo tierra, habitualmente
en compañía de petróleo. Se extrae mediante tuberías, y se almacena
directamente en grandes tanques. Luego se distribuye a los usuarios a través
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de g asoduc t os. Como es i n odoro e i nco l or o , al extraerlo se mezcla con una
sustancia que le da un fuerte y desagradable olor. De este modo, las personas
pueden darse cuenta de que existe una filtración o escape de gas.
2.1.2 Energía nuclear.
La energía nuclear procede de reacciones de fisión o fusión de átomos en las que
se liberan gigantescas cantidades de energía que se usan para producir
electricidad.
En 1956 se puso en marcha, en Inglaterra, la primera planta nuclear generadora
de electricidad para uso comercial. En 1990 había 420 reactores nucleares
comerciales en 25 países que producían el 17% de la electricidad del mundo.
En los años cincuenta y sesenta esta forma de generar energía fue acogida con
entusiasmo, dado el poco combustible que consumía (con un solo kilo de uranio
se podía producir tanta energía como con 1000 toneladas de carbón). Pero ya en
la década de los 70 y especialmente en la de los 80 cada vez hubo más voces que
alertaron sobre los peligros de la radiación, sobre todo en caso de accidentes. El
riesgo de accidente grave en una central nuclear bien construida y manejada es
muy bajo, pero algunos de estos accidentes, especialmente el de Chernobyl
(1986) que sucedió en una central de la URSS construida con muy deficientes
medidas de seguridad y sometida a unos riesgos de funcionamiento alocados, han
hecho que en muchos países la opinión pública mayoritariamente se haya opuesto
a la continuación o ampliación de los programas nucleares. Además ha surgido
otro problema de difícil solución: el del almacenamiento de los residuos nucleares
de alta actividad.
2.1.2.1 Centrales nucleares.
Producción de electricidad en la central nuclear.
Una central nuclear tiene cuatro partes:
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El reactor en el que se produce la fisión
El generador de vapor en el que el calor producido por la fisión se usa para
hacer hervir agua
La turbina que produce electricidad con la energía contenida en el vapor
El condensador en el cual se enfría el vapor, convirtiéndolo en agua líquida.
La reacción nuclear tiene lugar en el reactor, en el están las agrupaciones de
varillas de combustible intercaladas con unas decenas de barras de control que
están hechas de un material que absorbe los neutrones. Introduciendo estas
barras de control más o menos se controla el ritmo de la fisión nuclear ajustándolo
a las necesidades de generación de electricidad.
En las centrales nucleares habituales hay un circuito primario de agua en el que
esta se calienta por la fisión del uranio. Este circuito forma un sistema cerrado en
el que el agua circula bajo presión, para que permanezca líquida a pesar de que la
temperatura que alcanza es de unos 293ºC.
Con el agua del circuito primario se calienta otro circuito de agua, llamado
secundario. El agua de este circuito secundario se transforma en vapor a presión
que es conducido a una turbina. El giro de la turbina mueve a un generador que es
el que produce la corriente eléctrica.
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Finalmente, el agua es enfriada en torres de enfriamiento, o por otros
procedimientos.
Figura 2.1 Central nuclear (Bifani, Pablo 1999)
2.1.3 Renovables o verdes.
Las fuentes renovables de energía se basan en los flujos y ciclos naturales del
planeta. Son aquellas que se regeneran y son tan abundantes que perdurarán por
cientos o miles de años, las usemos o no; además, usadas con responsabilidad no
destruyen el medio ambiente. La electricidad, calefacción o refrigeración
generadas por las fuentes de energías renovables, consisten en el
aprovechamiento de los recursos naturales como el sol, el viento, los residuos
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agrícolas u orgánicos. Incrementar la participación de las energías renovables,
asegura una generación de electricidad sostenible a largo plazo, reduciendo la
emisión de CO2. Aplicadas de manera socialmente responsable, pueden ofrecer
oportunidades de empleo en zonas rurales y urbanas y promover el desarrollo de
tecnologías locales.
2.1.3.1 Centrales eólicas.
Es la fuente de energía que está creciendo más rápidamente y, si los gobiernos le
aseguran el apoyo necesario, podría cubrir en el 2020 el 12% de toda la
electricidad mundial. La energía eólica requiere condiciones de intensidad y
regularidad en el régimen de vientos para poder aprovecharlos. Se considera que
vientos con velocidades promedio entre 5 y 12.5 metros por segundo son los
aprovechables.
El viento contiene energía cinética (de las masas de aire en movimiento) que
puede convertirse en energía mecánica o eléctrica por medio de aereoturbinas, las
cuales están integradas por un arreglo de aspas, un generador y una torre,
principalmente.
2.1.3.2 Centrales solares.
Una central térmica solar o central termosolar es una instalación industrial en la
que, a partir del calentamiento de un fluido me d i an t e r a d i a c i ón s o l ar y su uso en
un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para
mover un a l t erna d or p ara g enera c i ón de e nerg í a e l éc t r i ca co mo en una cen t ral
t érm i c a c lásica.
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Constructivamente, es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan
alcanzar t em p era t uras elevadas, de 300 º C hasta 1000 º C, y obtener así un
rendimiento aceptable en el c i c l o t ermo d i nám i c o . .
Figura2.2 Central solar (Bifani, Pablo 1999)
2.1.3.3 Energía solar.
La energía solar que recibe nuestro planeta es resultado de un proceso de fusión
nuclear que tiene lugar en el interior del sol. Esa radiación solar se puede
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transformar directamente en electricidad (solar eléctrica) o en calor (solar térmica).
El calor, a su vez, puede ser utilizado para producir vapor y generar electricidad.
2.1.3.2.1 Centrales fotovoltaicas.
Las centrales fotovoltaicas producen electricidad sin necesidad de turbinas ni
generadores, utilizando la propiedad que tienen ciertos materiales de generar una
corriente de electrones cuando incide sobre ellos una corriente de fotones.
La clave del funcionamiento de las células fotovoltaicas está en la disposición en
forma de sándwich de materiales dopados de diferente forma, de manera que
unos tengan exceso de electrones y otros, por el contrario, "huecos" con déficit de
electrones. Los fotones de la luz solar portan una energía que arranca los
electrones sobrantes de una capa y los hace moverse en dirección a los "huecos"
de la otra capa.
El resultado es la creación de flujo de electrones excitados, y por lo tanto, un
voltaje eléctrico. Este voltaje conseguido es muy pequeño: por ejemplo, una
iluminación con una potencia de 1 Kw por metro cuadrado genera apenas un
voltaje de 0,5 voltios.
La solución consiste en conectar en serie gran número de células: en el ejemplo
anterior, conectando 36 células obtendremos una tensión de 18 voltios.
Conectando gran número de células, podremos alcanzar el voltaje que deseemos.
En la práctica, muchas instalaciones fotovoltaicas son pequeñas y se usan para
propósitos específicos: por ejemplo, para apoyar el suministro eléctrico de una
casa, o para señalizaciones de carretera. Pero también existen algunas grandes
instalaciones más o menos experimentales.
En España, la central fotovoltaica de Toledo tiene una potencia de 1 MW: 1000
veces menos que una gran central térmica, pero es una muestra de cómo está
avanzando el uso de la energía fotovoltaica comercial.
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Numerosos laboratorios en todo el mundo trabajan para conseguir células capaces
de convertir la luz del sol en electricidad con el mayor rendimiento posible. A
medida que el rendimiento aumenta y la fabricación de las células se abarata, la
electricidad fotovoltaica se hará cada vez más competitiva en comparación con las
otras maneras de producir electricidad.
2.1.3.2.2 Energía termoeléctrica.
Se llama energía geotérmica a la que se encuentra en el interior de la tierra en
forma de calor, como resultado de:
La desintegración de elementos radiactivos.
El calor permanente que se originó en los primeros momentos de formación del
planeta.
Esta energía se manifiesta por medio de procesos geológicos como volcanes en
sus fases póstumas, los geiseres que expulsan agua caliente y las aguas
termales.
Conversión de la energía geotérmica en eléctrica.
La conversión de la energía geotérmica en electricidad consiste en la utilización de
un vapor, que pasa a través de una turbina que está conectada a un generador,
produciendo electricidad.
El principal problema es la corrosión de las tuberías que transportan el agua
caliente.
Usos de la energía geotérmica:
Balnearios: Aguas termales que tienen aplicaciones para la salud.
Calefacción y agua caliente.
Electricidad.
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Extracción de minerales: Se obtienen de los manantiales azufre, sal común,
amoniaco, metano y ácido sulfhídrico.
Agricultura y acuicultura: Para invernaderos y criaderos de peces.
La cogeneración es una técnica que permite producir calor y electricidad en un
único proceso. El calor se presenta en forma de vapor de agua a alta presión o en
forma de agua caliente.
Una central de cogeneración de electricidad-calor funciona con turbinas o motores
de gas. El gas natural es la energía primaria más utilizada corrientemente para
hacer funcionar las centrales de cogeneración. Pero también pueden utilizarse
fuentes de energía renovables y residuos.
Al contrario de la central eléctrica tradicional, cuyos humos salen directamente por
la chimenea, los gases de escape de la cogeneración son primero enfriados antes
de ser evacuados por la chimenea y transmiten su energía a un circuito de agua
caliente/vapor.
Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un
rendimiento energético del orden del 90%. El desarrollo de la cogeneración podría
evitar la emisión de unos 120 millones de toneladas de CO2 en la UE en 2010 et
de unos 250 millones de toneladas en 2020.
2.1.3.2.3 Ce n t r ales g e o- t e rm o- el é c t r icas
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Un yacimiento geotérmico típico se compone de una fuente de calor, un
acuífero y la llamada capa sello. La fuente de calor es una cámara magmática
en proceso de enfriamiento con temperaturas todavía elevadas, de unos 500º
C o más. El acuífero es cualquier formación litológica con la permeabilidad
primaria o secundaria suficiente para alojar agua meteórica percolada desde
la superficie o desde acuíferos menos profundos. La capa sello es otra
formación rocosa, o parte de ella, con una permeabilidad menor que la del
acuífero, y cuya función es impedir que los fluidos geotérmicos se disipen
totalmente en la superficie (F I G . 7 ). Si se tiene el cuidado de extraer una
masa de fluidos equivalente a la que se recarga en el yacimiento, sea por
medios naturales o artificiales, el recurso es renovable para todo efecto
práctico, ya que aunque la cámara magmática terminará por
enfriarse, el proceso le tomará
probablemente algunos miles de años.
2.3 Central geotérmica (Bifani, Pablo 1999)
2.1.3.2.4 Central de ciclo combinado.
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FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACION
EFECTOPIEZOELECTRICO
Las centrales de ciclo combinado llevan dicho nombre por la utilización conjunta
de dos centrales: una turbina a gas y otra de vapor (FIG. 6). La combinación de
ambas produce un ciclo de potencia más eficiente y con costos variables bastante
competitivos.
El desarrollo de las centrales de ciclo combinado se enmarca preferentemente con
el uso del gas natural, el cual es el combustible más apropiado para el
funcionamiento de la turbina a gas debido a su capacidad energética, confiabilidad
y costo competitivo.
Figura 2.4 Central geotérmica de ciclo combinado (Bifani, Pablo 1999)
2.1.3.4 Central hidroeléctrica.
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FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACION
EFECTOPIEZOELECTRICO
Una central hidroeléctrica es aquella que utiliza e nerg í a h i dr á u li c a p ara
la g enera c i ón de e nerg í a e l éc t r i c a .
Son el resultado actual de la evolución de los antiguos m o li n os q ue aprovechaban
la corriente de los ríos para mover una rueda.
En general estas centrales aprovechan la e nerg í a po t en c i al que posee la masa de
agua de un c a uce na t ur a l e n virtud de un desnivel, también conocido como salto
geodésico. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por
una t ur b i na h i dr á u li c a l a cual trasmite la energía a un ge n erador el cual la
convierte en ene r g í a e l éc t r i c a .
Figura 2.5 Central Hidroeléctrica (Arroyo, M. 2007)
2.2 ¿CÓMO SE PRODUCE LA ENERGÍA ELÉCTRICA?
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FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACION
EFECTOPIEZOELECTRICO
2.2.1 Por acción química
Las substancias químicas pueden combinarse con ciertos metales para iniciar una
actividad química en la cual habrá transferencia de electrones produciéndose
cargas eléctricas.
El proceso se basa en el principio de la electroquímica. Un ejemplo es la pila
húmeda básica. Cuando en un recipiente de cristal se mezcla acido sulfúrico con
agua (para formar un electrolito) el acido sulfúrico se separa en componentes
químicos de hidrogeno (H) y sulfato (SO4), pero debido a la naturaleza de la
acción química, los átomos de hidrógeno son iones positivos (H+) y (SO4-2). El
número de cargas positivas y negativas son iguales, de manera que toda la
solución tiene una carga neta nula. Luego, cuando se introducen en la solución
barras de cobre y zinc, estas reaccionan con ella.
El zinc se combina con los átomos de sulfato; y puesto que esos átomos son
negativos, la barra de zinc transmite iones de zinc positivos (Zn+); los electrones
procedentes de los iones de zinc quedan en la masa de zinc, de manera que la
barra de zinc tiene un exceso de electrones, o sea una carga negativa. Los iones
de zinc se combina con los iones de sulfato y los neutralizan, de manera que
ahora la solución tiene mas cargas positivas. Los iones positivos de hidrogeno
atraen a electrones libres de la barra de cobre para neutralizar nuevamente la
solución. Pero ahora la barra de cobre tiene una deficiencia de electrones por lo
que presenta una carga positiva.
2.2.2 Por acción mecánica
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FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACION
EFECTOPIEZOELECTRICO
Una carga eléctrica se produce cuando se frotan uno con otro dos pedazos de
ciertos materiales; por ejemplo, se da y una varilla de vidrio, o cuando se peina el
cabello.
Estas cargas reciben el nombre de electricidad estática, la cual se produce cuando
un material transfiere sus electrones a otro.
Esto es algo que aun no se entiende perfectamente. Pero una teoría dice que en
la superficie es un material existen muchos átomos que no pueden combinarse
con otros en la misma forma en que lo hacen, cuando están dentro del material;
por lo tanto, los átomos superficiales contienen algunos electrones libres, esta es
la razón por la cual os aisladores, por ejemplo vidrio, caucho, pueden producir
cargas de electricidad estática. La energía calorífica producida por la fricción del
frotamiento se imparte a los átomos superficiales que entonces liberan los
electrones, a esto se le conoce como efecto triboeléctrico.
2.2.3 Por medios térmicos o por luminiscencia
2.2.3.1 Por calor
Debido a que algunos materiales liberan fácilmente sus electrones y otros
materiales los acepta, puede haber transferencia de electrones, cuando se ponen
en contacto dos metales distintos, por ejemplo: Con metales particularmente
activos, la energía calorífica del ambiente a temperatura normal es suficiente para
que estos metales liberen electrones. Los electrones saldrán de los átomos de
cobre y pasaran al átomo de cinc. Así pues, el cinc adquiere un exceso de
electrones por lo que se carga negativamente. El cobre, después de perder
electrones tiene una carga positiva. Sin embargo, las cargas originadas a la
temperatura ambiente son pequeñas, debido a que no hay suficiente energía
calorífica para liberar más que unos cuantos electrones. Pero si se aplica calor a la
unión de los dos metales para suministrar más energía, liberaran mas electrones.
Este método es llamado termoelectricidad. Mientras mayor sea el calor que se
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EFECTOPIEZOELECTRICO
aplique, mayor será la carga que se forme. Cuando se retira la fuente de calor, los
metales se enfrían y las cargas se disparan.
2.2.3.2 Por luz
La luz en sí misma es una forma de energía y muchos científicos la consideran
formada por pequeños paquetes de energía llamados fotones. Cuando los fotones
de un rayo luminoso inciden sobre un material, liberan energía. En algunos
materiales la energía procedente de los fotones puede ocasionar la liberación de
algunos electrones de los átomos. Materiales tales como potasio, sodio, cesio,
litio, selenio, germanio, cadmio y sulfuro de plomo, reaccionan a la luz en esta
forma. El efecto fotoeléctrico se puede usar de tres maneras:
1.-Fotoemisión: La energía fotónica de un rayo de la luz puede causar la liberación
de electrones de la superficie de un cuerpo que se encuentran en un tubo al vació.
Entonces una placa recoge estos electrones.
2.-Fotovoltaica: La energía luminosa que se aplica sobre una de dos placas
unidas, produce la transmisión de electrones de una placa a otra. Entonces las
placas adquieren cargas opuestas en la misma forma que una batería.
3.-Fotoconducción.- La energía luminosa aplicada a algunos materiales que
normalmente son malos conductores, causa la liberación de electrones en los
metales, de manera que estos se vuelven mejores conductores.
2.2.4 Por medio de presión
Cuando se aplica presión a algunos materiales, la fuerza de la presión pasa a
través del material a sus átomos, desalojando los electrones de sus orbitas y
empujándolos en la misma dirección que tiene la fuerza. Estos huyen de un lado
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EFECTOPIEZOELECTRICO
del material y se acumulan en el lado opuesto. Así cesa la presión, los electrones
regresan a sus órbitas. Los materiales se cortan en determinad formas para
facilitar el control de las superficies que habrán de cargarse; algunos materiales
reaccionaran a una presión de flexión en tanto que otros responderán a una
presión de torsión.
Piezoelectricidad es el nombre que se da a las cargas eléctricas producidas por el
efecto de la presión.
El efecto es más notable en los cristales, por ejemplo sales de Rochelle y ciertas
cerámicas como el titanito de bario.
2.3 ENERGÍA ALTERNATIVA
La energía adopta varias formas, que se pueden transferir y transformar. La
energía produce cambios en los cuerpos. Sin embargo, en todos estos cambios
LA ENERGIA NI SE CREA NI SE DESTRUYE, SOLO SE TRANSFORMA. Este
principio se conoce como Ley de la Conservación de la Energía.
Las energías alternativas son renovables es decir: energías las cuales las
podemos definir como "Energías presentes de forma potencial en la naturaleza, y
con posibilidades de utilización prácticamente ilimitadas". Entonces, Entendemos
como energía renovable aquella cuya fuente de obtención se renueva
constantemente.
La energía renovable, también llamada energía alternativa o blanda, este término
engloba una serie de fuentes energéticas que en teoría no se agotarían con el
paso del tiempo. Estas fuentes serían una alternativa a otras tradicionales y
producirían un impacto ambiental mínimo, pero que en sentido estricto ni son
renovables.
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EFECTOPIEZOELECTRICO
2.4 EFECTO PIEZOELÉCTRICO
El efecto piezoeléctrico, es un fenómeno físico que presentan algunos cristales
debido al cual, aparece una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre ciertas
caras del cristal cuando éste se somete a una deformación mecánica y se
denomina efecto piezo-eléctrico directo.
2.4.1 Funcionamiento del Efecto Piezoeléctrico
El funcionamiento de este efecto es solo por medio de una presión ejercida a dos
cristales los cuales al aplicarles presión tiende su estado molecular a deformarse
haciendo un choque entre átomos.
Cuando se comprime el cristal, los átomos ionizados (cargados) presentes en la
estructura de cada celda de formación del cristal se desplazan, provocando la
polarización eléctrica de ella.
Debido a la regularidad de la estructura cristalina, y como los efectos de
deformación de la celda suceden en todas las celdas del cuerpo del cristal, estas
cargas se suman y se produce una acumulación de la carga eléctrica, produciendo
una diferencia de potencial eléctrico entre determinadas caras del cristal que
puede ser muchos voltios.
Este efecto funciona también a la inversa: cuando se aplica un campo eléctrico a
ciertas caras de una formación cristalina, ésta experimenta distorsiones mecánicas
(efecto piezo-eléctrico inverso). Pierre Curie y su hermano Jacques descubrieron
este fenómeno en el cuarzo y la sal de Rochelle en 1880 y lo denominaron 'efecto
piezoeléctrico' (del griego
piezein, 'presionar').
En el caso contrario,
cuando se somete a
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EFECTOPIEZOELECTRICO
determinadas caras del cristal a un campo eléctrico externo, los iones de cada
celda son desplazados por las fuerzas electrostáticas, produciéndose una
deformación mecánica.
Figura 2.5 Feito García, A. (2006). Las energías alternativas- Efecto Piezoeléctrico
2.4.2 Materiales Piezoeléctricos
En el campo de ingeniería el uso más común del fenómeno piezoeléctrico
actualmente es en los actuadores piezoeléctricos, los cuales son dispositivos que
producen un movimiento aprovechando el fenómeno físico de la piezoelectricidad.
Los actuadores que utilizan este efecto están disponibles desde hace unos 20
años y han cambiado el mundo del posicionamiento y de precisión. El movimiento
preciso que resulta cuando un campo eléctrico es aplicado al material es de gran
valor para nanoposicionamiento.
El efecto piezoeléctrico exhibido por materiales naturales como el cuarzo, la
turmalina, la sal de Rochelle, etc.…, es muy pequeño, se han desarrollado
materiales con propiedades mejoradas, como los materiales cerámicos ferro
eléctricos policristalinos como el BaTiO3 y el Zirconato Titanato de Plomo
(TZT). Los cerámicos PZT, disponibles en muchas variaciones, son los
materiales más ampliamente usados hoy para aplicaciones como actuadores
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EFECTOPIEZOELECTRICO
o sensores. La
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EFECTOPIEZOELECTRICO
estructura cristalina del PZT es cúbica centrada en las caras (isotrópico) antes de
la polarización y después de la polarización exhiben simetría tetragonal (estructura
anisotrópica) por debajo de la temperatura de Curie, que es aquella en la cual la
estructura cristalina cambia de forma piezoeléctrica (no simétrica) a no
piezoeléctrica. A esta temperatura los cerámicos PZT pierden las propiedades
piezoeléctricas.
2.4.3 Propiedades de los cristales piezoeléctricos
El principio básico de los cristales de cuarzo es convertir las vibraciones
mecánicas en voltajes eléctricos a una frecuencia específica. Esto ocurre debido al
efecto "piezoeléctrico". La piezo-electricidad es electricidad creada por una presión
mecánica. En un material piezoeléctrico, al aplicar una presión mecánica sobre un
eje, dará como consecuencia la creación de una carga eléctrica a lo largo de un
eje ubicado en un ángulo recto respecto al de la aplicación de la presión
mecánica.
En algunos materiales, se encuentra que aplicando un campo eléctrico según un
eje, produce una deformación mecánica según otro eje ubicado a un ángulo recto
respecto al primero. Por las propiedades mecánicas, eléctricas, y químicas, el
cuarzo es el material más apropiado para fabricar dispositivos con frecuencia bien
controlada. La siguiente figura muestra la ubicación de elementos específicos
dentro de una piedra de cuarzo
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EFECTOPIEZOELECTRICO
Figura 2.6 Cortes de un cuarzo piezoeléctrico (Feito García, A. 2006).
De los cortes que se pueden hacer, el corte "AT" es el más popular y es fabricado
hasta frecuencias relativamente altas, mostrando una excelente estabilidad de
frecuencia frente a las variaciones de la temperatura. Los cristales de cuarzo se
ven afectados por la temperatura de trabajo, lo cual modifica según su calidad, la
frecuencia de oscilación. La siguiente gráfica muestra la variación en partes por
millón (PPM) con respecto a la temperatura.
Un material piezoeléctrico conectado a un circuito eléctrico se comporta frente a
un campo
Alterno en el entorno de una frecuencia de resonancia en forma similar a un
circuito RLC. Para estudiar este comportamiento se utilizó como muestra un cristal
de cuarzo conectado a una fuente alterna. Se realizaron diferentes mediciones de
tensión para determinar los parámetros característicos de un modelo de circuito
equivalente.
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EFECTOPIEZOELECTRICO
En la vida real este circuito no funciona, ya que un factor de calidad grande se
hace imposible de alcanzar con una combinación de inductancias, capacidades y
resistencias ordinarias.
Las tensiones mecánicas que aparecen en un dieléctrico isótropo que se
encuentra en un campo eléctrico constituyen un efecto que es cuadrático respecto
del campo. Cabe mencionar que un material isótropo es aquel que presenta las
mismas características a ciertos fenómenos físicos de la misma manera en toda
su superficie. Este mismo efecto se observa en los cristales. Sin embargo para
ciertos tipos de simetrías de la estructura cristalina esta dependencia tiene un
carácter esencialmente distinto.
Cuando se incrementa la frecuencia solicitada, el espesor del cuerpo del cristal
disminuye y por supuesto existe un límite en el proceso de fabricación. Alrededor
de 30MHz, el espesor de la placa del cristal comienza a ser muy delgada. Debido
a que el corte "AT" resonará a números enteros impares múltiplos de de la
frecuencia fundamental, es necesario especificar el orden del sobretono deseado
para cristales de altas frecuencias.
Potencia de trabajo es la potencia disipada por el cristal. Está normalmente
especificada en micro o milivolts, siendo un valor típico 100 microvoltios. Como ya
se había mencionado, el cristal se ve afectado por la temperatura, y tiene cierta
tolerancia a ella, la cual es la máxima desviación de frecuencia permitida y se
expresa en partes por millón (PPM) para una temperatura especificada,
usualmente 25°C. La estabilidad de la frecuencia se refiere a la máxima
desviación en PPM, en un determinado rango de temperatura. La desviación esta
tomada con referencia a la frecuencia medida a 25°C.
El envejecimiento se refiere a los cambios acumulativos en la frecuencia del cristal
con el transcurrir del tiempo. Los factores que intervienen son: exceso en la
potencia disipada, efectos térmicos, fatiga en los alambres de armado y pérdidas
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EFECTOPIEZOELECTRICO
en la elasticidad del cristal. El diseño de circuitos considerando bajas temperaturas
ambientales y mínimas potencias en el cristal reducirán el envejecimiento.
Un cristal de cuarzo se puede representar mediante un circuito eléctrico, llamado
circuito eléctrico equivalente y el cual se muestra a continuación es un esquema
del cristal de cuarzo trabajando a una determinada frecuencia de resonancia. El
capacitor C’ o capacidad en paralelo, representa en total la capacidad entre los
electrodos del cristal más la capacidad de la carcaza y sus terminales. R, C y L
conforman la rama principal del cristal y se conocen como componentes o
parámetros motional donde:
L representa la masa vibrante del cristal,
C representa la elasticidad del cuarzo y
R representa las pérdidas que ocurren dentro del cristal.
Figura 2.7 Representación eléctrica - Efecto Piezoeléctrico
(Feito García, A 2006)
El factor de calidad (Q) es una medida de la eficiencia de la oscilación. La máxima
estabilidad obtenible de un cristal depende del valor de "Q". En la figura de la
impedancia del cristal, la separación entre las frecuencias serie y paralelo se llama
ancho de banda. Cuanto más pequeño el ancho de banda mayor es el "Q".
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EFECTOPIEZOELECTRICO
Cambios en la reactancia del circuito externo tienen menos efecto en un cristal de
alto "Q" por lo tanto la frecuencia es en definitiva más estable.
2.4.4 Eficiencia de un cuarzo, el tamaño del cristal
La clave, al parecer, está en el tamaño descubrieron que cierto tipo de material
piezoeléctrico puede convertir la vibración en energía aumentada al 100% cuando
se le fabrica a un pequeñísimo tamaño. Y pequeño quiere decir casi 5.000 veces
más delgado que un cabello humano, o 21 nanómetros de espesor. Incluso las
alteraciones en la forma de las ondas de sonido podrían en el futuro ser
"recolectadas" para producir energía.
Esto nos da la idea de que podemos generar grandes cantidades de energía
eléctrica por ejemplo al solo caminar o al hablar.
Figura 2.8 Alfombra Piezoeléctrica (Feito García, 2006). Las energías alternativas-
Efecto Piezoeléctrico
2.4.3 Aplicaciones de los materiales eléctricos
La ecografía (estudio por imagen de estructuras profundas basado en la reflexión
de ondas ultrasónicas), está fundamentada en el mismo principio piezoeléctrico.
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Una laminilla de cuarzo se deforma mecánicamente y vibra cuando la colocamos
en un campo eléctrico oscilante.
Una laminilla tallada de una determinada manera vibra sólo a una frecuencia
determinada y así puede controlar el tiempo en los relojes digitales.
Sus vibraciones son muchos más exactas que las oscilaciones eléctricas que las
producen y por lo tanto es buen método para regular las oscilaciones y mantener
una medida de tiempo más exacta. Constituyen la base de los relojes digitales
actuales.
Existen también unos altavoces piezoeléctricos en los que la señal eléctrica se
conduce hasta unos electrodos que comprimen el cristal, éste se contrae y se
afloja (vibra). La membrana del altavoz está directamente unida al cristal y al vibrar
con él transmite sus vibraciones al aire produciendo las ondas sonoras.
Con este sistema no se obtiene una buena calidad de sonido. Funcionan bien a
altas frecuencias como el sonar o los ecógrafos pero no tienen mucha calidad para
la sensibilidad del oído humano.
Dada su capacidad de convertir la deformación mecánica en voltaje eléctrico, y el
voltaje eléctrico aplicado en deformación mecánica, los cristales piezoeléctricos
encuentran un vasto campo de aplicaciones en:
Transductores de presión
Agujas para los reproductores de discos de vinilo
Micrófonos.
Cristales resonadores para los relojes y en osciladores electrónicos de alta
frecuencia.
Generadores de chispas en encendedores
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CAPITULO 3. HIPOTESIS
3.1 Planteamiento de Hipótesis
La hipótesis generada es de carácter de investigación descriptiva correlacionar
ya que busca describirle el comportamiento de los cristales piezoeléctrico y
correlacionarlo con la generación de energía por medio de presión.
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EFECTOPIEZOELECTRICO
3.1.1 Hipótesis de investigación
“El efecto piezoeléctrico se produce cuando dos cristales se comprimen los entre
sí, provocando la polarización eléctrica de los cristales.”
3.1.2 Hipótesis Alternativas
La estructura de un cuarzo determina su piezoelectricidad.
Debido a la regularidad de la estructura cristalina, y a los efectos de
deformación de las celdas del cuerpo del cristal, estas fuerzas cargadas se
suman y se produce una acumulación eléctrica, produciendo una diferencia
de potencial eléctrico entre determinadas caras del cristal.
A menor tamaño del cristal piezoeléctrico, mayor es el voltaje producido.
Si se aplica una presión mayor se obtendrá mayor diferencia de potencial
Los cristales de cuarzo se ven afectados por la temperatura de trabajo.
3.2 Fuentes de la hipótesis
Fuentes literarias:
Domínguez, José A. (1997); Energía y medio ambiente: una perspectiva social.
Bifani, Pablo (1999); Electricidad y desarrollo sostenible
Arroyo, M. (2007); El debate sobre la crisis energética global
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EFECTOPIEZOELECTRICO
Askeland, Donald R. (2005); Ciencia e ingeniería de los materiales
Feito García, A. (2006). Las energías alternativas- Efecto Piezoeléctrico. Revista
de Occidente, nº 286, 2006, p. 110-123.
3.3 Variables
El efecto piezoeléctrico siempre tiende a tener como mínimo una variable a su
lado, la cual es la presión que se debe ejercer para su funcionamiento.
Esta variable es esencial para el buen funcionamiento del cristal. Se dice que si
tienes un pequeño cristal y se le ejerce una gran energía de presión el potencial
eléctrico será mayor.
Al presionar los cuarzos piezoeléctricos al se generan dos variables, que como la
palabra lo indica, no se pueden controlar totalmente, pues varían según el tamaño
y la presión aplicada, como se ha mencionado antes, los cuales son el voltaje a
dar y la presión sometida.
3.3.1 Independientes
1. Una fuerza o presión externa que se aplica al cuarzo.
2. El tamaño del cristal piezoeléctrico.
3. La temperatura a la que opera el cristal.
3.3.2 Dependientes
Las variables dependientes son el voltaje producido, por que el cristal el voltaje
generado, es proporcional al tamaño del cristal y a la fuerza con que es
presionado este,
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EFECTOPIEZOELECTRICO
3.4 Operalizacion de hipótesis
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EFECTOPIEZOELECTRICO
Hipótesis Variables Conceptualización Indicadores
La estructura de un cuarzo
determina su piezoelectricidad.
Tipo de cuarzo
El efecto piezoeléctrico
exhibido por materiales
naturales como el cuarzo, la
turmalina, la sal de Rochelle,
etc., es muy pequeño
Voltaje producido
A menor tamaño del cristal
piezoeléctrico, mayor es el
voltaje producido. Tamaño del cristal
Cierto tipo de material
piezoeléctrico puede
convertir la vibración en
energía aumentada al 100%
cuando se le fabrica a un
pequeñísimo tamaño, de 21
nanómetros de espesor.
Voltaje producido
Si se aplica una presión mayor
se obtendrá mayor diferencia de
potencial
Presión ejercida
sobre el cristal
Si se incrementa la presión,
el espesor del cuerpo del
cristal disminuye y por
consiguiente el voltaje
aumenta.
El voltaje producido
Los cristales de cuarzo se ven
afectados por la temperatura de
trabajo.
Temperatura de
trabajo del cuarzo
El cristal se ve afectado por
la temperatura, y tiene cierta
tolerancia a ella, la cual es
la máxima desviación de
frecuencia, con referencia a
la frecuencia media 25°C.
Temperatura de
trabajo y el voltaje
producido
CAPITULO 4. METODOLOGIA.
4.1 TECNICA DE RECOLECCION
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Medición
Cuando hablamos de recolección de datos nos estamos refiriendo a la información
abstraída de los conceptos. La recolección de datos tiene que ver con el concepto
de medición, el cual es proceso mediante el cual se obtiene el dato, valor o
respuesta para la variable que se esta investigando.
En el proceso de recolección de datos por medio de la medición es una condición
para obtener el conocimiento científico. El instrumento de recolección de datos
está orientado a crear las condiciones para la medición. Los datos son conceptos
que expresan una abstracción del mundo real, de lo sensorial, susceptible de ser
percibido por los sentidos de manera directa o indirecta, es decir se busca
manifestar de manera practica lo que se expresa en la teoría.
¿Que se mide?
Se miden las variables; la presión, la temperatura, el tamaño del cristal, y el voltaje
producido.
¿Cómo se relacionan las variables?
La relación es la siguiente: cada variable, que es un concepto susceptible de ser
medible y cuantificable adquiere un valor, dato o respuesta. Quiere decir entonces
que podemos formalizar la realidad, la parte teórica en una Matriz de Datos, la
cual puede ser una grafica.
4.1.1 INSTRUMENTO DE RECOLECCION
Medición del voltaje
El instrumento utilizado para medir la diferencia de potencial (el voltaje) generado
por un cristal piezoeléctrico, fue un voltímetro, el cual, se conecta a dos puntos del
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cristal piezoeléctrico. El instrumento más preciso para medir el voltaje, la
resistencia o la corriente continua es el potenciómetro, que indica una fuerza
electromotriz no valorada al compararla con un valor conocido.
Condiciones de servicio
Las condiciones de servicio, se refieren primordialmente a las variables, las cuales
no pueden ser controladas del todo, y además son condiciones que se modifican o
se establecen intencionalmente para comprobar, aceptar o rechazar las hipótesis
propuestas.
Sensibilidad del instrumento
La sensibilidad de un instrumento se determina por la intensidad de corriente
necesaria para producir una desviación completa de la escala. El grado de
sensibilidad se expresa, tratándose de un voltímetro, de acuerdo con el número de
ohmios por voltio, es decir, la resistencia del instrumento. Para que un voltímetro
sea preciso, debe tomar una corriente insignificante del circuito y esto se obtiene
mediante alta resistencia.
El número de ohmios por voltio de un voltímetro se obtiene dividiendo la
resistencia total del instrumento entre el voltaje máximo que puede medirse. Por
ejemplo, un instrumento con una resistencia interna de 300000 ohmios y una
escala para un máximo de 300 voltios, tendrá una sensibilidad de 1000 ohmios por
voltio. Para fines de esta investigación, el voltímetro deben tener cuando menos
1000 ohmios por voltio.
Fuente de recolección de datos “libros e internet”
Se localizaron tales fuentes
Fuentes literarias
1. Domínguez, José A. (1997); Energía y medio ambiente: una perspectiva
social.
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2. Bifani, Pablo (1999); Electricidad y desarrollo sostenible
3. Arroyo, M. (2007); El debate sobre la crisis energética global
4. Askeland, Donald R. (2005); Ciencia e ingeniería de los materiales
5. Feito García, A. (2006). Las energías alternativas- Efecto Piezoeléctrico.
Revista de Occidente, nº 286, 2006, p. 110-123.
Fuentes de internet
1. Prodigy MSN Encarta
4.2 MUESTRA
Todo problema de investigación científica, aún el más abstracto, implica de algún
modo una tarea de medición de los conceptos que intervienen en el mismo. En
eso consiste, desde el punto de vista lógico más general, la tarea de medir.
La medición del variable voltaje, resulta, en esencia, un proceso comparativo. La
dificultad reside en que las variables de este tipo no pueden medirse con escalas
tan sencillas como las lineales y en que, por otra parte, no existen para su
comparación patrones de medida universalmente definidos y aceptados.
Por esta razón, medir el voltaje producido por un cuarzo piezoeléctrico; será
necesario definir las dimensiones que integran la variable, encontrar indicadores
diversos que la reflejen y construir luego una escala apropiada para el caso.
4.2.1 TIPO DE MUESTRA
Muestras probabilística
Ya que serán muestras aleatorias, donde cada uno de los elementos (cristales)
tiene una probabilidad determinada de ser seleccionado para registrar los datos
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EFECTOPIEZOELECTRICO
arrojados de las diferentes pruebas. Para que esto suceda hay que recurrir a
determinadas técnicas de extracción de la muestra. Algunas de esas técnicas son:
a.- Azar simple
Elabora una lista con todas las unidades. Luego sortear estos hasta completar el
total de unidades que deseamos entre en la muestra. De este modo la
probabilidad que tiene cada elemento de aparecer en la muestra es exactamente
el mismo.
4.2.2 TAMAÑO DE LA MUESTRA
El tamaño de la muestra para determinar las características de un cuarzo
piezoeléctrico se determino de al menos 4 fuentes para cada variable.
4.2.3 CARACTERISTICAS DE LA MUESTRA
Definir un parámetro
La característica del cuarzo deberá ser su tamaño
4.3 ANÁLISIS DE LA INFORMACION
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EFECTOPIEZOELECTRICO
Figura 4.1 Análisis de la variación (Feito García, A. 2006)
El cristal se ve afectado por la temperatura, y tiene cierta tolerancia a ella, la
cual es la máxima desviación de frecuencia para una temperatura especificada,
usualmente 25°C.
Cuando se incrementa la frecuencia solicitada, el espesor del cuerpo del cristal
disminuye y por supuesto existe un límite en el proceso de fabricación.
Alrededor de 30MHz, el espesor de la placa del cristal comienza a ser muy
delgada.
Material piezoeléctrico puede convertir la vibración en energía aumentada al
100% cuando se le fabrica a un pequeñísimo tamaño, de aproximadamente 21
nanómetros de espesor.
El efecto piezoeléctrico es exhibido por materiales naturales como el cuarzo, la
turmalina, la sal de Rochelle, etc.…, pero desafortunadamente es muy
pequeño, sin embargo se han desarrollado materiales con propiedades
mejoradas, como los materiales cerámicos ferro eléctricos policristalinos como
el BaTiO3 y el Zirconato Titanato de Plomo.
De los cortes que se pueden hacer, el corte "AT" es el más popular y es
fabricado hasta frecuencias relativamente altas, mostrando una excelente
estabilidad de frecuencia frente a las variaciones de la temperatura.
Los cristales de cuarzo se ven afectados por la temperatura de trabajo, lo cual
modifica según su calidad, la frecuencia de oscilación.
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FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACION
EFECTOPIEZOELECTRICO
4.4 RESULTADOS
Los materiales piezoeléctricos, al ser sometidos a tensiones mecánicas, adquieren
una polarización eléctrica en su masa. Utilizando cristales de este material, que
serán aplastados por miles de vehículos diarios, se supone generar 400
kilowatts con por kilómetro. Estos 400 kilowatts son equivalentes a la energía
utilizada en ocho autos pequeños.