Generacion de Energia Electrica Por Medio Del Efecto Piezoelectrico

FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACION EFECTO PIEZOELECTRICO

CARTA DE PRESENTACION

Con la siguiente informacin se espera dar a conocer el funcionamiento, la

importancia, y los beneficios de utilizar una energa renovable, como lo es el

efecto piezoelctrico.

Est claro cules son los beneficios de utilizarla, es mucho ms limpia que los

combustibles usados convencionalmente para producir energa; otra ventaja de

usa esta forma de energa renovable es que, la misma no puede ser agota.

Una gestin responsable y eficiente de los recursos naturales posiciona los

proyectos de energas renovables en un sector de mercado medioambientalmente

responsable, proporcionando as un valor econmico mayor a las empresas y a

la sociedad.

Lo anterior mencionado, pensando en proporcionar alternativas para generar

energa elctrica, ya que, esta energa es el combustible de los avances de la

sociedad.

La presente investigacin menciona los distintos tipos de energas, pero se

enfoca ms en particular a estudiar el EFECTO PIEZOELECTRICO. El cual trata

de la generacin de energa por medio de presin.

MECATRONICA - 6 Pgina 1


INDICE

CAPITULO 1. PROBLEMA.

1.1Planteamiento del problema.

1.2 Descripcin del problema.

1.3 Preguntas de investigacin.

1.4 Objetivos.

1.4.1 General.

1.4.2 Especficos.

1.5 Justificacin.

1.6 Marco de referencia.

1.6.1 Factibilidad econmica, operativa y de tiempo.

1.6.2 Relevancia. Social.

1.6.3 Profesional.

1.6.4 Cientfica.

1.6.3 Referencia bibliogrfica.



CAPITULO 2. MARCO TEORICO

2 Qu es la energa elctrica? 17

2.1 Fuentes de energa 17

2.1.1 No renovables 17

2.1.1.1 Energa fsil 17

2.1.1.1.1 Petrleo 18

2.1.1.1.2 Carbn 18

2.1.1.1.3 Gas natural 18

2.1.2 Energa nuclear

2.1.2.1 Centrales Nucleares

2.1.3 Renovables o verdes

2.1.3.1 Energa Elica

2.1.3.2 Energa Solar

2.1.3.2.1 Centrales Fotovoltaicas

2.1.3.3 Energa termoelctrica o trmica

2.1.3.4 Energa Geo-trmica

2.1.3.5 Centrales de ciclo combinado

2.1.3.6 Centrales Hidroelctricas



2.2 Cmo se produce la energa elctrica?

2.2.1 Por medio de qumica

2.2.2 Por medio de mecnica

2.2.3 Por medio de trmica o luminosa

2.2.3.1 Por calor

2.2.3.2 Por luz

2.2.4 Por medio de presin

2.3 Qu es la energa alternativa?

2.4 Efecto piezoelctrico

2.4.1 Funcionamiento del efecto

2.4.2 Materiales Piezoelctricos

2.4.3 Aplicaciones del Efecto Piezoelctrico

CAPITULO 3. HIPOTESIS

3.1 Planteamiento de hiptesis

3.1.1 Hiptesis de investigacin

3.1.2 Hiptesis alternativa

3.2 Fuentes de hiptesis

3.3 Variable

3.3.1 Independiente

3.3.2 Dependiente



3.4 Operalizacion de hiptesis

CAPITULO 4. METODOLOGIA.

4.1 Tcnicas de recoleccin

4.1.1 Instrumento de recoleccin

4.2 Muestra

4.2.1 Tipo de muestra

4.2.2 Tamao de la muestra

4.2.3 Caractersticas de la muestra

4.3 Anlisis de la informacin

4.4 Resultados

Conclusiones

Bibliografa

Anexos



RESUMEN

La idea a investigar sobre como podemos aprovechar la energa producida por la

presin (aplicacin del efecto piezoelctrico), posee primordialmente un enfoque

cualitativo, pero tambin aborda datos, los cuales ya nos hablan de un enfoque

cuantitativo.

Se evaluarn a travs de todo el proceso de investigacin, entre otras cosas las

diferentes formas en las que hoy en da se produce energa elctrica, el concepto

y funcionamiento del Efecto Piezoelctrico, adems de evaluar las hiptesis

acerca del aprovechamiento del efecto piezoelctrico.

La presente investigacin se realiza con el fin de aportar ideas al tema de la

exploracin, localizacin, y desarrollo de nuevas energas renovables, debido a

que la mayor parte de la produccin energtica a escala global depende de la

fuentes no renovables de energa, y que las economas desarrolladas o en vas

de desarrollo presentan una dependencia respecto de las materias primas no

renovables , ante esta situacin, se busca proponer una fuente de energa alterna

que pueda suplir a las utilizadas mayoritariamente y, sobre todo, que sea segura,

en la presente investigacin se propone la utilizacin del Efecto Piezoelctrico.

El efecto piezoelctrico, es un fenmeno fsico que presentan algunos cristales

debido al cual, aparece una diferencia de potencial elctrico (voltaje) entre ciertas

caras del cristal cuando ste se somete a una deformacin mecnica y se

denomina efecto piezo-elctrico directo.



INTRODUCCIN AL TEMA

La importancia de la electricidad radica en que es una de las principales formas de

energa usadas en el mundo actual. Sin ella la iluminacin, comunicacin,

telfono, radio, no existira y las personas que tuvieran que prescindir de aparatos

elctricos que ya llegaron a constituir parte integral del hogar. Adems sin la

electricidad el campo del transporte no sera lo que es en la actualidad. De hecho

puede decirse que la electricidad se usa en todas partes.

En el futuro ser an ms importante. Por lo tanto, es primordial el desarrollo de

nuevas energas, y que mejor aun que sean renovables, tanto para controlar la

produccin y emisin de gases y desechos contaminantes como para poder lograr

un desarrollo sustentable.

Los beneficios de utilizar energas renovables es un tema de gran exploracin, a

nivel medioambiental est claro cules son sus beneficios, son mucho ms limpias

que los combustibles usados convencionalmente para producir energa.

Pero si nos centramos a nivel empresarial, la utilizacin de la energa elctrica, 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 energas renovables tienen de forma positiva sobre los

proyectos de cualquier empresa podemos encontrar:

La utilizacin de energas renovables se traduce directamente en mejoras

de la gestin de los recursos, minimizacin del consumo energtico, y por lo

tanto una gran fuente de ahorro de recursos.

Una gestin responsable y eficiente de los recursos naturales, utilizados

para producir energa elctrica, posiciona los proyectos de energas renovables

en un sector de mercado medioambientalmente responsable, proporcionando

as un valor aadido que las empresas pueden aportar a la sociedad.



Las medidas de eficiencia energtica y el uso de las energas 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 investigacin, la cual

busca como generar energa renovable utilizando las calles, carreteras, vas del

ferrocarril, para definir mejor cualquier superficie que reciba una presin, una

innovadora forma de generar energa.

El tema ha desarrollar es:

Cmo utilizar el efecto piezoelctrico para producir electricidad aprovechando la

energa de friccin o presin de dos cuerpos?

ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN

La idea a investigar sobre como podemos aprovechar la energa producida por la

presin (aplicacin del efecto piezoelctrico), posee primordialmente un enfoque

cualitativo, pero tambin aborda datos, los cuales ya nos hablan de un enfoque

cuantitativo. Aqu se est planteando un problema de estudio concreto, en el que

las preguntas de investigacin son muy especficas en cuanto al tema que se va a

investigar y recolectar la informacin necesaria mediante la revisin de la

literatura. Tambin, se evaluarn a travs de todo el proceso de investigacin

diferentes hiptesis acerca del aprovechamiento del efecto piezoelctrico, as

generando una teora con aquellas hiptesis que sean comprobadas como

correctas. Otra caracterstica del enfoque cuantitativo de esta investigacin es que

la recoleccin de los datos son productos de mediciones, por ejemplo, la cantidad

de corriente elctrica que produce el cristal al ser sometido a presin. Se pretende

explicar tambin como y de donde se obtiene energa mediante la idea ya



mencionada, buscando que todos los elementos principales de dicha idea posean

una relacin causal, explicando y prediciendo aquellas teoras que puedan surgir.

DELIMITACIN ESPACIAL Y TEMPORAL

Al plantear este problema de enfoque cualitativo, se toman en cuenta que la

investigacin se da en trminos concretos, por lo que es susceptible de

investigarse con mtodos puramente cientficos. Adems la delimitacin de un

planteamiento cuantitativo nos permite reducir nuestro problema de investigacin

a, por decirlo as, dimensiones ms pequeas o prcticas donde podremos

realizar ms concretamente los estudios investigativos.

La delimitacin espacial se refiere a la limitacin fsica de la investigacin, por lo

que en esta investigacin la delimitacin espacial comprende a dos factores: el

cristal de cuarzo y la produccin de corriente elctrica y su aplicacin en motores

que funcionen con corriente directa y al alumbrado pblico.

La delimitacin temporal: La actual idea de investigacin pretende llevarse a cabo

durante un periodo que comprende los meses de octubre y noviembre, en donde

la etapa de recoleccin de informacin se llevar a cabo durante el primer mes y la

segunda etapa de experimentacin es realizada en el mes de noviembre.

ALCANCE DE LA INVESTIGACIN

La presente investigacin posee un alcance de investigacin 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 investigacin es el efecto

piezoelctrico, en la idea actual se le ve por el lado del aprovechamiento de la

energa que produce este efecto. Si se le ve de esta manera, es visto como

exploratorio. Como comentario, el efecto piezoelctrico en la actualidad se le dan

aplicaciones de menor importancia o menos relevantes al de la idea de



investigacin, como lo es en los relojes de cuarzo, el mecanismo de chispa de

algunos encendedores, o en bsculas para pesar cantidades muy grandes.

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

Actualmente tenemos graves problemas con las fuentes "no renovables" de

energa que son utilizadas para generar energa elctrica. Todos sabemos que el

petrleo, el gas y el carbn, estn llegando a su lmite.

Para el ao 2030 se habrn agotado las reservas existentes y nos encontraremos

en graves problemas. Necesitamos explorar y localizar nuevas reservas, y adems

es necesario al mismo tiempo desarrollar energas renovables.

1.2 Descripcin del problema.

Si raspamos un metal contra un objeto saltan chispas o sea; hay una

manifestacin de energa. Si golpeamos un clavo tambin ocurre lo mismo.

Algunos materiales tienen la capacidad de producir electricidad cuando se la

somete a esfuerzos mecnicos. A esto se llama el efecto piezoelctrico.

Esto puede ser causado por golpes o presionando el material lo suficiente como

para deformar su fractura cristalina.

Es decir, es posible la produccin de energa elctrica a partir de la aplicacin de

presin. Por ejemplo existen estudios para usar el efecto piezoelctrico para

generar de energa a partir de los latidos del corazn o presin sangunea.

Estos estudios nos dan la pauta para investigar la utilizacin de estos principios

para aplicarlos, y por mencionar algunos ejemplos, podramos encender luces por

el paso de transentes o construir carreteras que generan electricidad.



Figura 1.1 Energa por presin (Navarro A.1991)

1.3 PREGUNTAS DE INVESTIGACIN.

Las incgnitas generadas por lo anterior expuesto son las siguientes:

Qu es el Efecto Piezoelctrico?

Por qu estudiar el Efecto Piezoelctrico?

Cmo funciona el Efecto Piezoelctrico?

Cules son los materiales Piezoelctricos?

Cules son las propiedades de los materiales piezoelctricos?

Dnde se puede aplicar el fenmeno de la piezoelectricidad?

Qu ventajas tiene la generacin de energa elctrica por medio de la

piezoelectricidad?

1.4 OBJETIVOS.

1.4.1 GENERAL.



Comprender el funcionamiento del Efecto Piezoelctrico, una energa renovable,

para poder crear por medio de este una tensin de voltaje, y minimizar el gasto de

energa no renovable.

1.4.2 ESPECFICOS.

Relacionar las propiedades de los cuarzos piezoelctricos con la

generacin de electricidad.

Reconocer los factores que en un cristal piezoelctrico que hacen posible

poder crear una tensin de voltaje.

Entender de que manera se ve afectada la generacin de electricidad, por

la presin y el tamao de un cristal piezoelctrico.

Saber cuanta energa puede llegar a producir produce un cristal

piezoelctrico.

1.5 JUSTIFICACIN.

Hoy en da, la mayor parte de la produccin energtica a escala global depende

de la fuentes no renovables de energa, que, en su estado actual, no ofrecen

garantas suficientes de seguridad por la generacin 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 poblacin.

Es conocida la dependencia que experimentan las economas desarrolladas o en

vas de desarrollo respecto de las materias primas no renovables y contaminantes

las energas fsiles- 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 sustitucin parcial de las energas fsiles por medio del



aprovechamiento de energas naturales para lograr tener un desarrollo

sustentable..

Ante esta situacin, en busca de fuentes de energa alternativas que puedan suplir

a las utilizadas mayoritariamente y, sobre todo, que sean seguras, en la presente

investigacin se propone la utilizacin de una nueva fuente, el Efecto

Piezoelctrico.

1.6 MARCO DE REFERENCIA.

1.6.1 Factibilidad econmica, operativa y de tiempo

Al proponer el uso de una fuente alternativa de energa, como lo es el Efecto

Piezoelctrico, nos queda claro, por experiencia, que el uso de una fuente de

energa no renovable, no es del todo econmico, si no que mas bien representa

una inversin considerable, pero que a largo plazo resulta ser mucho mas factible,

reduciendo costo, y si no eliminando, minimizando el uso de energa no renovable.

El uso del Efecto Piezoelctrico no es la excepcin, pues tiene un costo

relativamente elevado, pero como ya se ha mencionado antes a largo plazo

resulta mucho mas barato.

Por otro lado, la construccin de los dispositivos convenientes para lograr la

generacin de energa por medio del Efecto Piezoelctrico, no resulta ser de un

procedimiento que requiera demasiado tiempo para ello, ni tampoco requiere de

una gran aplicacin de tcnicas de construccin.

1.6.2 Relevancia

Para efectos de importancia, segn los objetivos que hemos fijado, la presente

investigacin, esperamos y cumpla con las siguientes expectativas:

1.6.2.1 Relevancia social



Reflexionar sobre la necesidad de nuevas fuentes de energa y su relacin con el

desarrollo de la sociedad. Relacionado con ello, analizar tambin las posibilidades

de un cambio real en los niveles de produccin y consumo de energas

renovables, ms limpias y respetuosas con el medio, proporcionando as 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 energa elctrica, y a partir de ah sentar las bases para

posteriormente desarrollar y crear dispositivos que podrn implementarse en la

generacin de energa elctrica.

Las empresas que necesitan un gran suministro de energa podran reducir

gastos. Y solo ocuparan que hubiese algo o alguien que pudiera generar presin

a los cristales piezoelctricos, ya sea transitando o golpeando a una distancia

cercana, podra entonces generarse electricidad para su fines de trabajo.

En lugares concurridos por personas se podra instalar este sistema el cual podra

alimentar bombillas elctricas para que los caminos no estuviesen tan oscuros.

1.6.2.3 Cientfica.

Nuestro proyecto ayudara a la comunidad cientfica de tal manera que se

estudiara mas a fondo de que manera se puede incrementar la eficiencia de los

cuarzos piezoelctricos, involucrando este estudio la estructura de un cristal

piezoelctrico, su tamao, y el saber de que manera se crea un cristal

piezoelctrico.

1.6.3 Referencia bibliogrfica.



Domnguez, Jos A. (1997); Energa y medio ambiente: una perspectiva social.

Bifani, Pablo (1999); Electricidad y desarrollo sostenible

Arroyo, M. (2007); El debate sobre la crisis energtica global

Askeland, Donald R. (2005); Ciencia e ingeniera de los materiales

Feito Garca, A. (2006). Las energas alternativas- Efecto Piezoelctrico. Revista

de Occidente, n 286, 2006, p. 110-123.

CAPITULO 2. MARCO TEORICO.

2 Qu es la energa elctrica?

Se denomina energa elctrica a la forma de energa que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer

una corriente elctrica entre ambos cuando se les coloca en contacto por medio

de un conductor elctricopara obtener trabajo. La energa elctrica puede

transformarse en muchas otras formas de energa, tales como la energa luminosa

o luz, la energa mecnica y la energa trmica.

2.1 FUENTES DE ENERGA. MECATRONICA - 6 Pgina 15


2.1.1 No renovables. 2.1.1.2 Energa fsil.

La mayor parte de la energa empleada actualmente en el mundo proviene de

los combustibles fsiles. Los combustibles fsiles son recursos no renovables: no se reponen por procesos

biolgicos

2.1.1.2.1 Petrleo.

El petrleo es un lquido oleoso compuesto de carbono e hidrgeno en distintas

proporciones. Se encuentra en profundidades que varan entre los 500 y los 4.000

metros Actualmente, las refineras y las industrias petroqumicas extraen del

petrleo diferentes productos para distintas aplicaciones: gas

licuado, gasolina, diesel, aceites lubricantes, adems de numerosos subproductos

que sirven para fabricar pinturas, detergentes, plsticos, cosmticos, fertilizantes y

otros muchsimos artculos.

2.1.1.2.2 Carbn.

El carbn que corresponde al combustible fsil es aquel que conocemos como

carbn mineral. Se extrae desde minas bajo tierra, y no necesita ser refinado para

utilizarse. En nuestro pas, se estima que en los prximos aos el consumo de

carbn descienda, debido a la introduccin del gas natural.

2.1.1.2.3 Gas natural.

El gas natural est compuesto principalmente por metano, un compuesto qumico

hecho de tomos de carbono e hidrgeno. Se encuentra bajo tierra, habitualmente

en compaa de petrleo. Se extrae mediante tuberas, y se almacena

directamente en grandes tanques. Luego se distribuye a los usuarios a travs



de gasoductos. Como es inodoro e incoloro, 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 filtracin o escape de gas.

2.1.2 Energa nuclear.

La energa nuclear procede de reacciones de fisin o fusin de tomos en las que

se liberan gigantescas cantidades de energa 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 haba 420 reactores nucleares

comerciales en 25 pases que producan el 17% de la electricidad del mundo.

En los aos cincuenta y sesenta esta forma de generar energa fue acogida con

entusiasmo, dado el poco combustible que consuma (con un solo kilo de uranio

se poda producir tanta energa como con 1000 toneladas de carbn). Pero ya en

la dcada de los 70 y especialmente en la de los 80 cada vez hubo ms voces que

alertaron sobre los peligros de la radiacin, 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 sucedi 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 pases la opinin pblica mayoritariamente se haya opuesto

a la continuacin o ampliacin de los programas nucleares. Adems ha surgido

otro problema de difcil solucin: el del almacenamiento de los residuos nucleares

de alta actividad.

2.1.2.1 Centrales nucleares.

Produccin de electricidad en la central nuclear.

Una central nuclear tiene cuatro partes:



El reactor en el que se produce la fisin

El generador de vapor en el que el calor producido por la fisin se usa para

hacer hervir agua

La turbina que produce electricidad con la energa contenida en el vapor

El condensador en el cual se enfra el vapor, convirtindolo en agua lquida.

La reaccin nuclear tiene lugar en el reactor, en el estn las agrupaciones de

varillas de combustible intercaladas con unas decenas de barras de control que

estn hechas de un material que absorbe los neutrones. Introduciendo estas

barras de control ms o menos se controla el ritmo de la fisin nuclear ajustndolo

a las necesidades de generacin de electricidad.

En las centrales nucleares habituales hay un circuito primario de agua en el que

esta se calienta por la fisin del uranio. Este circuito forma un sistema cerrado en

el que el agua circula bajo presin, para que permanezca lquida a pesar de que la

temperatura que alcanza es de unos 293C.

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 presin

que es conducido a una turbina. El giro de la turbina mueve a un generador que es

el que produce la corriente elctrica.



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 energa se basan en los flujos y ciclos naturales del

planeta. Son aquellas que se regeneran y son tan abundantes que perdurarn por

cientos o miles de aos, las usemos o no; adems, usadas con responsabilidad no

destruyen el medio ambiente. La electricidad, calefaccin o refrigeracin

generadas por las fuentes de energas renovables, consisten en el

aprovechamiento de los recursos naturales como el sol, el viento, los residuos



agrcolas u orgnicos. Incrementar la participacin de las energas renovables,

asegura una generacin de electricidad sostenible a largo plazo, reduciendo la

emisin de CO2. Aplicadas de manera socialmente responsable, pueden ofrecer

oportunidades de empleo en zonas rurales y urbanas y promover el desarrollo de

tecnologas locales.

2.1.3.1 Centrales elicas.

Es la fuente de energa que est creciendo ms rpidamente y, si los gobiernos le

aseguran el apoyo necesario, podra cubrir en el 2020 el 12% de toda la

electricidad mundial. La energa elica requiere condiciones de intensidad y

regularidad en el rgimen 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 energa cintica (de las masas de aire en movimiento) que

puede convertirse en energa mecnica o elctrica por medio de aereoturbinas, las

cuales estn integradas por un arreglo de aspas, un generador y una torre,

principalmente.

2.1.3.2 Centrales solares.

Una central trmica solar o central termosolar es una instalacin industrial en la

que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiacin solar y su uso en

un ciclo termodinmico convencional, se produce la potencia necesaria para

mover un alternador para generacin de energa elctrica como en una central

trmica clsica.



Constructivamente, es necesario concentrar la radiacin solar para que se puedan

alcanzar temperaturas elevadas, de 300 C hasta 1000 C, y obtener as un

rendimiento aceptable en el ciclo termodinmico.

.

Figura2.2 Central solar (Bifani, Pablo 1999)

2.1.3.3 Energa solar.

La energa solar que recibe nuestro planeta es resultado de un proceso de fusin

nuclear que tiene lugar en el interior del sol. Esa radiacin solar se puede



transformar directamente en electricidad (solar elctrica) o en calor (solar trmica).

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 clulas fotovoltaicas est en la disposicin en

forma de sndwich de materiales dopados de diferente forma, de manera que

unos tengan exceso de electrones y otros, por el contrario, "huecos" con dficit de

electrones. Los fotones de la luz solar portan una energa que arranca los

electrones sobrantes de una capa y los hace moverse en direccin a los "huecos"

de la otra capa.

El resultado es la creacin de flujo de electrones excitados, y por lo tanto, un

voltaje elctrico. Este voltaje conseguido es muy pequeo: por ejemplo, una

iluminacin con una potencia de 1 Kw por metro cuadrado genera apenas un

voltaje de 0,5 voltios.

La solucin consiste en conectar en serie gran nmero de clulas: en el ejemplo

anterior, conectando 36 clulas obtendremos una tensin de 18 voltios.

Conectando gran nmero de clulas, podremos alcanzar el voltaje que deseemos.

En la prctica, muchas instalaciones fotovoltaicas son pequeas y se usan para

propsitos especficos: por ejemplo, para apoyar el suministro elctrico de una

casa, o para sealizaciones de carretera. Pero tambin existen algunas grandes

instalaciones ms o menos experimentales.

En Espaa, la central fotovoltaica de Toledo tiene una potencia de 1 MW: 1000

veces menos que una gran central trmica, pero es una muestra de cmo est

avanzando el uso de la energa fotovoltaica comercial.



Numerosos laboratorios en todo el mundo trabajan para conseguir clulas capaces

de convertir la luz del sol en electricidad con el mayor rendimiento posible. A

medida que el rendimiento aumenta y la fabricacin de las clulas se abarata, la

electricidad fotovoltaica se har cada vez ms competitiva en comparacin con las

otras maneras de producir electricidad.

2.1.3.2.2 Energa termoelctrica.

Se llama energa geotrmica a la que se encuentra en el interior de la tierra en

forma de calor, como resultado de:

La desintegracin de elementos radiactivos.

El calor permanente que se origin en los primeros momentos de formacin del

planeta.

Esta energa se manifiesta por medio de procesos geolgicos como volcanes en

sus fases pstumas, los geiseres que expulsan agua caliente y las aguas

termales.

Conversin de la energa geotrmica en elctrica.

La conversin de la energa geotrmica en electricidad consiste en la utilizacin de

un vapor, que pasa a travs de una turbina que est conectada a un generador,

produciendo electricidad.

El principal problema es la corrosin de las tuberas que transportan el agua

caliente.

Usos de la energa geotrmica:

Balnearios: Aguas termales que tienen aplicaciones para la salud.

Calefaccin y agua caliente.

Electricidad.



Extraccin de minerales: Se obtienen de los manantiales azufre, sal comn,

amoniaco, metano y cido sulfhdrico.

Agricultura y acuicultura: Para invernaderos y criaderos de peces.

La cogeneracin es una tcnica que permite producir calor y electricidad en un

nico proceso. El calor se presenta en forma de vapor de agua a alta presin o en

forma de agua caliente.

Una central de cogeneracin de electricidad-calor funciona con turbinas o motores

de gas. El gas natural es la energa primaria ms utilizada corrientemente para

hacer funcionar las centrales de cogeneracin. Pero tambin pueden utilizarse

fuentes de energa renovables y residuos.

Al contrario de la central elctrica tradicional, cuyos humos salen directamente por

la chimenea, los gases de escape de la cogeneracin son primero enfriados antes

de ser evacuados por la chimenea y transmiten su energa a un circuito de agua

caliente/vapor.

Las centrales de cogeneracin de electricidad-calor pueden alcanzar un

rendimiento energtico del orden del 90%. El desarrollo de la cogeneracin podra

evitar la emisin 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 Centrales geo-termo-elctricas



Un yacimiento geotrmico tpico se compone de una fuente de calor, un

acufero y la llamada capa sello. La fuente de calor es una cmara magmtica

en proceso de enfriamiento con temperaturas todava elevadas, de unos 500

C o ms. El acufero es cualquier formacin litolgica con la permeabilidad

primaria o secundaria suficiente para alojar agua meterica percolada desde la

superficie o desde acuferos menos profundos. La capa sello es otra formacin

rocosa, o parte de ella, con una permeabilidad menor que la del acufero, y

cuya funcin es impedir que los fluidos geotrmicos se disipen totalmente en la

superficie (FIG.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 prctico, ya que aunque la

cmara magmtica terminar por enfriarse, el proceso le tomar

probablemente algunos miles de aos.

2.3 Central geotrmica (Bifani, Pablo 1999)

2.1.3.2.4 Central de ciclo combinado.



Las centrales de ciclo combinado llevan dicho nombre por la utilizacin conjunta

de dos centrales: una turbina a gas y otra de vapor (FIG. 6). La combinacin de

ambas produce un ciclo de potencia ms 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 ms apropiado para el

funcionamiento de la turbina a gas debido a su capacidad energtica, confiabilidad

y costo competitivo.

Figura 2.4 Central geotrmica de ciclo combinado (Bifani, Pablo 1999)

2.1.3.4 Central hidroelctrica.



Una central hidroelctrica es aquella que utiliza energa hidrulica para

la generacin de energa elctrica.

Son el resultado actual de la evolucin de los antiguos molinos que aprovechaban

la corriente de los ros para mover una rueda.

En general estas centrales aprovechan la energa potencial que posee la masa de

agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, tambin conocido como salto

geodsico. El agua en su cada entre dos niveles del cauce se hace pasar por

una turbina hidrulica la cual trasmite la energa a un generador el cual la

convierte en energa elctrica.

Figura 2.5 Central Hidroelctrica (Arroyo, M. 2007)

2.2 CMO SE PRODUCE LA ENERGA ELCTRICA?



2.2.1 Por accin qumica

Las substancias qumicas pueden combinarse con ciertos metales para iniciar una

actividad qumica en la cual habr transferencia de electrones producindose

cargas elctricas.

El proceso se basa en el principio de la electroqumica. Un ejemplo es la pila

hmeda bsica. Cuando en un recipiente de cristal se mezcla acido sulfrico con

agua (para formar un electrolito) el acido sulfrico se separa en componentes

qumicos de hidrogeno (H) y sulfato (SO4), pero debido a la naturaleza de la

accin qumica, los tomos de hidrgeno son iones positivos (H+) y (SO4-2). El

nmero de cargas positivas y negativas son iguales, de manera que toda la

solucin tiene una carga neta nula. Luego, cuando se introducen en la solucin

barras de cobre y zinc, estas reaccionan con ella.

El zinc se combina con los tomos de sulfato; y puesto que esos tomos 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 solucin tiene mas cargas positivas. Los iones positivos de hidrogeno

atraen a electrones libres de la barra de cobre para neutralizar nuevamente la

solucin. Pero ahora la barra de cobre tiene una deficiencia de electrones por lo

que presenta una carga positiva.

2.2.2 Por accin mecnica



Una carga elctrica 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 esttica, la cual se produce cuando

un material transfiere sus electrones a otro.

Esto es algo que aun no se entiende perfectamente. Pero una teora dice que en

la superficie es un material existen muchos tomos que no pueden combinarse

con otros en la misma forma en que lo hacen, cuando estn dentro del material;

por lo tanto, los tomos superficiales contienen algunos electrones libres, esta es

la razn por la cual os aisladores, por ejemplo vidrio, caucho, pueden producir

cargas de electricidad esttica. La energa calorfica producida por la friccin del

frotamiento se imparte a los tomos superficiales que entonces liberan los

electrones, a esto se le conoce como efecto triboelctrico.

2.2.3 Por medios trmicos o por luminiscencia

2.2.3.1 Por calor

Debido a que algunos materiales liberan fcilmente 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 energa calorfica del ambiente a temperatura normal es suficiente para

que estos metales liberen electrones. Los electrones saldrn de los tomos de

cobre y pasaran al tomo de cinc. As pues, el cinc adquiere un exceso de

electrones por lo que se carga negativamente. El cobre, despus de perder

electrones tiene una carga positiva. Sin embargo, las cargas originadas a la

temperatura ambiente son pequeas, debido a que no hay suficiente energa

calorfica para liberar ms que unos cuantos electrones. Pero si se aplica calor a la

unin de los dos metales para suministrar ms energa, liberaran mas electrones.

Este mtodo es llamado termoelectricidad. Mientras mayor sea el calor que se



aplique, mayor ser la carga que se forme. Cuando se retira la fuente de calor, los

metales se enfran y las cargas se disparan.

2.2.3.2 Por luz

La luz en s misma es una forma de energa y muchos cientficos la consideran

formada por pequeos paquetes de energa llamados fotones. Cuando los fotones

de un rayo luminoso inciden sobre un material, liberan energa. En algunos

materiales la energa procedente de los fotones puede ocasionar la liberacin de

algunos electrones de los tomos. Materiales tales como potasio, sodio, cesio,

litio, selenio, germanio, cadmio y sulfuro de plomo, reaccionan a la luz en esta

forma. El efecto fotoelctrico se puede usar de tres maneras:

1.-Fotoemisin: La energa fotnica de un rayo de la luz puede causar la liberacin

de electrones de la superficie de un cuerpo que se encuentran en un tubo al vaci.

Entonces una placa recoge estos electrones.

2.-Fotovoltaica: La energa luminosa que se aplica sobre una de dos placas

unidas, produce la transmisin de electrones de una placa a otra. Entonces las

placas adquieren cargas opuestas en la misma forma que una batera.

3.-Fotoconduccin.- La energa luminosa aplicada a algunos materiales que

normalmente son malos conductores, causa la liberacin de electrones en los

metales, de manera que estos se vuelven mejores conductores.

2.2.4 Por medio de presin

Cuando se aplica presin a algunos materiales, la fuerza de la presin pasa a

travs del material a sus tomos, desalojando los electrones de sus orbitas y

empujndolos en la misma direccin que tiene la fuerza. Estos huyen de un lado



del material y se acumulan en el lado opuesto. As cesa la presin, los electrones

regresan a sus rbitas. Los materiales se cortan en determinad formas para

facilitar el control de las superficies que habrn de cargarse; algunos materiales

reaccionaran a una presin de flexin en tanto que otros respondern a una

presin de torsin.

Piezoelectricidad es el nombre que se da a las cargas elctricas producidas por el

efecto de la presin.

El efecto es ms notable en los cristales, por ejemplo sales de Rochelle y ciertas

cermicas como el titanito de bario.

2.3 ENERGA ALTERNATIVA

La energa adopta varias formas, que se pueden transferir y transformar. La

energa 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 Conservacin de la Energa.

Las energas alternativas son renovables es decir: energas las cuales las

podemos definir como "Energas presentes de forma potencial en la naturaleza, y

con posibilidades de utilizacin prcticamente ilimitadas". Entonces, Entendemos

como energa renovable aquella cuya fuente de obtencin se renueva

constantemente.

La energa renovable, tambin llamada energa alternativa o blanda, este trmino

engloba una serie de fuentes energticas que en teora no se agotaran con el

paso del tiempo. Estas fuentes seran una alternativa a otras tradicionales y

produciran un impacto ambiental mnimo, pero que en sentido estricto ni son

renovables.



2.4 EFECTO PIEZOELCTRICO

El efecto piezoelctrico, es un fenmeno fsico que presentan algunos cristales

debido al cual, aparece una diferencia de potencial elctrico (voltaje) entre ciertas

caras del cristal cuando ste se somete a una deformacin mecnica y se

denomina efecto piezo-elctrico directo.

2.4.1 Funcionamiento del Efecto Piezoelctrico

El funcionamiento de este efecto es solo por medio de una presin ejercida a dos

cristales los cuales al aplicarles presin tiende su estado molecular a deformarse

haciendo un choque entre tomos.

Cuando se comprime el cristal, los tomos ionizados (cargados) presentes en la

estructura de cada celda de formacin del cristal se desplazan, provocando la

polarizacin elctrica de ella.

Debido a la regularidad de la estructura cristalina, y como los efectos de

deformacin de la celda suceden en todas las celdas del cuerpo del cristal, estas

cargas se suman y se produce una acumulacin de la carga elctrica, produciendo

una diferencia de potencial elctrico entre determinadas caras del cristal que

puede ser muchos voltios.

Este efecto funciona tambin a la inversa: cuando se aplica un campo elctrico a

ciertas caras de una formacin cristalina, sta experimenta distorsiones mecnicas

(efecto piezo-elctrico inverso). Pierre Curie y su hermano Jacques descubrieron

este fenmeno en el cuarzo y la sal de Rochelle en 1880 y lo denominaron 'efecto

piezoelctrico' (del griego

piezein, 'presionar').

En el caso contrario,

cuando se somete a MECATRONICA - 6 Pgina 32


determinadas caras del cristal a un campo elctrico externo, los iones de cada

celda son desplazados por las fuerzas electrostticas, producindose una

deformacin mecnica.

Figura 2.5 Feito Garca, A. (2006). Las energas alternativas- Efecto Piezoelctrico

2.4.2 Materiales Piezoelctricos

En el campo de ingeniera el uso ms comn del fenmeno piezoelctrico

actualmente es en los actuadores piezoelctricos, los cuales son dispositivos que

producen un movimiento aprovechando el fenmeno fsico de la piezoelectricidad.

Los actuadores que utilizan este efecto estn disponibles desde hace unos 20

aos y han cambiado el mundo del posicionamiento y de precisin. El movimiento

preciso que resulta cuando un campo elctrico es aplicado al material es de gran

valor para nanoposicionamiento.

El efecto piezoelctrico exhibido por materiales naturales como el cuarzo, la

turmalina, la sal de Rochelle, etc., es muy pequeo, se han desarrollado

materiales con propiedades mejoradas, como los materiales cermicos ferro

elctricos policristalinos como el BaTiO3 y el Zirconato Titanato de Plomo (TZT).

Los cermicos PZT, disponibles en muchas variaciones, son los materiales ms

ampliamente usados hoy para aplicaciones como actuadores o sensores. La



estructura cristalina del PZT es cbica centrada en las caras (isotrpico) antes de

la polarizacin y despus de la polarizacin exhiben simetra tetragonal (estructura

anisotrpica) por debajo de la temperatura de Curie, que es aquella en la cual la

estructura cristalina cambia de forma piezoelctrica (no simtrica) a no

piezoelctrica. A esta temperatura los cermicos PZT pierden las propiedades

piezoelctricas.

2.4.3 Propiedades de los cristales piezoelctricos

El principio bsico de los cristales de cuarzo es convertir las vibraciones

mecnicas en voltajes elctricos a una frecuencia especfica. Esto ocurre debido al

efecto "piezoelctrico". La piezo-electricidad es electricidad creada por una presin

mecnica. En un material piezoelctrico, al aplicar una presin mecnica sobre un

eje, dar como consecuencia la creacin de una carga elctrica a lo largo de un

eje ubicado en un ngulo recto respecto al de la aplicacin de la presin

mecnica.

En algunos materiales, se encuentra que aplicando un campo elctrico segn un

eje, produce una deformacin mecnica segn otro eje ubicado a un ngulo recto

respecto al primero. Por las propiedades mecnicas, elctricas, y qumicas, el

cuarzo es el material ms apropiado para fabricar dispositivos con frecuencia bien

controlada. La siguiente figura muestra la ubicacin de elementos especficos

dentro de una piedra de cuarzo



Figura 2.6 Cortes de un cuarzo piezoelctrico (Feito Garca, A. 2006).

De los cortes que se pueden hacer, el corte "AT" es el ms 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 segn su calidad, la

frecuencia de oscilacin. La siguiente grfica muestra la variacin en partes por

milln (PPM) con respecto a la temperatura.

Un material piezoelctrico conectado a un circuito elctrico 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 utiliz como muestra un cristal

de cuarzo conectado a una fuente alterna. Se realizaron diferentes mediciones de

tensin para determinar los parmetros caractersticos de un modelo de circuito

equivalente.



En la vida real este circuito no funciona, ya que un factor de calidad grande se

hace imposible de alcanzar con una combinacin de inductancias, capacidades y

resistencias ordinarias.

Las tensiones mecnicas que aparecen en un dielctrico istropo que se

encuentra en un campo elctrico constituyen un efecto que es cuadrtico respecto

del campo. Cabe mencionar que un material istropo es aquel que presenta las

mismas caractersticas a ciertos fenmenos fsicos de la misma manera en toda

su superficie. Este mismo efecto se observa en los cristales. Sin embargo para

ciertos tipos de simetras de la estructura cristalina esta dependencia tiene un

carcter esencialmente distinto.

Cuando se incrementa la frecuencia solicitada, el espesor del cuerpo del cristal

disminuye y por supuesto existe un lmite en el proceso de fabricacin. Alrededor

de 30MHz, el espesor de la placa del cristal comienza a ser muy delgada. Debido

a que el corte "AT" resonar a nmeros enteros impares mltiplos 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. Est normalmente

especificada en micro o milivolts, siendo un valor tpico 100 microvoltios. Como ya

se haba mencionado, el cristal se ve afectado por la temperatura, y tiene cierta

tolerancia a ella, la cual es la mxima desviacin de frecuencia permitida y se

expresa en partes por milln (PPM) para una temperatura especificada,

usualmente 25C. La estabilidad de la frecuencia se refiere a la mxima

desviacin en PPM, en un determinado rango de temperatura. La desviacin esta

tomada con referencia a la frecuencia medida a 25C.

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 trmicos, fatiga en los alambres de armado y prdidas



en la elasticidad del cristal. El diseo de circuitos considerando bajas temperaturas

ambientales y mnimas potencias en el cristal reducirn el envejecimiento.

Un cristal de cuarzo se puede representar mediante un circuito elctrico, llamado

circuito elctrico equivalente y el cual se muestra a continuacin 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 ms la capacidad de la carcaza y sus terminales. R, C y L

conforman la rama principal del cristal y se conocen como componentes o

parmetros motional donde:

L representa la masa vibrante del cristal,

C representa la elasticidad del cuarzo y

R representa las prdidas que ocurren dentro del cristal.

Figura 2.7 Representacin elctrica - Efecto Piezoelctrico

(Feito Garca, A 2006)

El factor de calidad (Q) es una medida de la eficiencia de la oscilacin. La mxima

estabilidad obtenible de un cristal depende del valor de "Q". En la figura de la

impedancia del cristal, la separacin entre las frecuencias serie y paralelo se llama

ancho de banda. Cuanto ms pequeo el ancho de banda mayor es el "Q".



Cambios en la reactancia del circuito externo tienen menos efecto en un cristal de

alto "Q" por lo tanto la frecuencia es en definitiva ms estable.

2.4.4 Eficiencia de un cuarzo, el tamao del cristal

La clave, al parecer, est en el tamao descubrieron que cierto tipo de material

piezoelctrico puede convertir la vibracin en energa aumentada al 100% cuando

se le fabrica a un pequesimo tamao. Y pequeo quiere decir casi 5.000 veces

ms delgado que un cabello humano, o 21 nanmetros de espesor. Incluso las

alteraciones en la forma de las ondas de sonido podran en el futuro ser

"recolectadas" para producir energa.

Esto nos da la idea de que podemos generar grandes cantidades de energa

elctrica por ejemplo al solo caminar o al hablar.

Figura 2.8 Alfombra Piezoelctrica (Feito Garca, 2006). Las energas alternativas-

Efecto Piezoelctrico

2.4.3 Aplicaciones de los materiales elctricos

La ecografa (estudio por imagen de estructuras profundas basado en la reflexin de ondas ultrasnicas), est fundamentada en el mismo principio piezoelctrico.



Una laminilla de cuarzo se deforma mecnicamente y vibra cuando la colocamos

en un campo elctrico oscilante.

Una laminilla tallada de una determinada manera vibra slo a una frecuencia

determinada y as puede controlar el tiempo en los relojes digitales.

Sus vibraciones son muchos ms exactas que las oscilaciones elctricas que las

producen y por lo tanto es buen mtodo para regular las oscilaciones y mantener

una medida de tiempo ms exacta. Constituyen la base de los relojes digitales

actuales.

Existen tambin unos altavoces piezoelctricos en los que la seal elctrica se

conduce hasta unos electrodos que comprimen el cristal, ste se contrae y se

afloja (vibra). La membrana del altavoz est directamente unida al cristal y al vibrar

con l 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 ecgrafos pero no tienen mucha calidad para

la sensibilidad del odo humano.

Dada su capacidad de convertir la deformacin mecnica en voltaje elctrico, y el

voltaje elctrico aplicado en deformacin mecnica, los cristales piezoelctricos

encuentran un vasto campo de aplicaciones en:

Transductores de presin

Agujas para los reproductores de discos de vinilo

Micrfonos.

Cristales resonadores para los relojes y en osciladores electrnicos de alta

frecuencia.

Generadores de chispas en encendedores



CAPITULO 3. HIPOTESIS

3.1 Planteamiento de Hiptesis

La hiptesis generada es de carcter de investigacin descriptiva correlacionar

ya que busca describirle el comportamiento de los cristales piezoelctrico y

correlacionarlo con la generacin de energa por medio de presin.



3.1.1 Hiptesis de investigacin

El efecto piezoelctrico se produce cuando dos cristales se comprimen los entre

s, provocando la polarizacin elctrica de los cristales.

3.1.2 Hiptesis Alternativas

La estructura de un cuarzo determina su piezoelectricidad.

Debido a la regularidad de la estructura cristalina, y a los efectos de

deformacin de las celdas del cuerpo del cristal, estas fuerzas cargadas se

suman y se produce una acumulacin elctrica, produciendo una diferencia

de potencial elctrico entre determinadas caras del cristal.

A menor tamao del cristal piezoelctrico, mayor es el voltaje producido.

Si se aplica una presin mayor se obtendr mayor diferencia de potencial

Los cristales de cuarzo se ven afectados por la temperatura de trabajo.

3.2 Fuentes de la hiptesis

Fuentes literarias:

Domnguez, Jos A. (1997); Energa y medio ambiente: una perspectiva social.

Bifani, Pablo (1999); Electricidad y desarrollo sostenible

Arroyo, M. (2007); El debate sobre la crisis energtica global



Askeland, Donald R. (2005); Ciencia e ingeniera de los materiales

Feito Garca, A. (2006). Las energas alternativas- Efecto Piezoelctrico. Revista

de Occidente, n 286, 2006, p. 110-123.

3.3 Variables

El efecto piezoelctrico siempre tiende a tener como mnimo una variable a su

lado, la cual es la presin que se debe ejercer para su funcionamiento.

Esta variable es esencial para el buen funcionamiento del cristal. Se dice que si

tienes un pequeo cristal y se le ejerce una gran energa de presin el potencial

elctrico ser mayor.

Al presionar los cuarzos piezoelctricos al se generan dos variables, que como la

palabra lo indica, no se pueden controlar totalmente, pues varan segn el tamao

y la presin aplicada, como se ha mencionado antes, los cuales son el voltaje a

dar y la presin sometida.

3.3.1 Independientes

1. Una fuerza o presin externa que se aplica al cuarzo.

2. El tamao del cristal piezoelctrico.

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 tamao del cristal y a la fuerza con que es

presionado este,



3.4 Operalizacion de hiptesis



CAPITULO 4. METODOLOGIA.

4.1 TECNICA DE RECOLECCION


Hiptesis Variables Conceptualizacin Indicadores

La estructura de un cuarzo

determina su piezoelectricidad.

Tipo de cuarzo

El efecto piezoelctrico

exhibido por materiales

naturales como el cuarzo, la

turmalina, la sal de Rochelle,

etc., es muy pequeo

Voltaje producido

A menor tamao del cristal

piezoelctrico, mayor es el

voltaje producido. Tamao del cristal

Cierto tipo de material

piezoelctrico puede

convertir la vibracin en

energa aumentada al 100%

cuando se le fabrica a un

pequesimo tamao, de 21

nanmetros de espesor. Voltaje producido

Si se aplica una presin mayor

se obtendr mayor diferencia de

potencial

Presin ejercida

sobre el cristal

Si se incrementa la presin,

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 mxima desviacin de

frecuencia, con referencia a

la frecuencia media 25C.

Temperatura de

trabajo y el voltaje

producido


Medicin

Cuando hablamos de recoleccin de datos nos estamos refiriendo a la informacin

abstrada de los conceptos. La recoleccin de datos tiene que ver con el concepto

de medicin, 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 recoleccin de datos por medio de la medicin es una condicin

para obtener el conocimiento cientfico. El instrumento de recoleccin de datos

est orientado a crear las condiciones para la medicin. Los datos son conceptos

que expresan una abstraccin 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 teora.

Que se mide?

Se miden las variables; la presin, la temperatura, el tamao del cristal, y el voltaje

producido.

Cmo se relacionan las variables?

La relacin 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 terica en una Matriz de Datos, la

cual puede ser una grafica.

4.1.1 INSTRUMENTO DE RECOLECCION

Medicin del voltaje

El instrumento utilizado para medir la diferencia de potencial (el voltaje) generado

por un cristal piezoelctrico, fue un voltmetro, el cual, se conecta a dos puntos del



cristal piezoelctrico. El instrumento ms preciso para medir el voltaje, la

resistencia o la corriente continua es el potencimetro, 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 adems son condiciones que se modifican o

se establecen intencionalmente para comprobar, aceptar o rechazar las hiptesis

propuestas.

Sensibilidad del instrumento

La sensibilidad de un instrumento se determina por la intensidad de corriente

necesaria para producir una desviacin completa de la escala. El grado de

sensibilidad se expresa, tratndose de un voltmetro, de acuerdo con el nmero de

ohmios por voltio, es decir, la resistencia del instrumento. Para que un voltmetro

sea preciso, debe tomar una corriente insignificante del circuito y esto se obtiene

mediante alta resistencia.

El nmero de ohmios por voltio de un voltmetro se obtiene dividiendo la

resistencia total del instrumento entre el voltaje mximo que puede medirse. Por

ejemplo, un instrumento con una resistencia interna de 300000 ohmios y una

escala para un mximo de 300 voltios, tendr una sensibilidad de 1000 ohmios por

voltio. Para fines de esta investigacin, el voltmetro deben tener cuando menos

1000 ohmios por voltio.

Fuente de recoleccin de datos libros e internet

Se localizaron tales fuentes

Fuentes literarias

1. Domnguez, Jos A. (1997); Energa y medio ambiente: una perspectiva

social.



2. Bifani, Pablo (1999); Electricidad y desarrollo sostenible

3. Arroyo, M. (2007); El debate sobre la crisis energtica global

4. Askeland, Donald R. (2005); Ciencia e ingeniera de los materiales

5. Feito Garca, A. (2006). Las energas alternativas- Efecto Piezoelctrico.

Revista de Occidente, n 286, 2006, p. 110-123.

Fuentes de internet

1. Prodigy MSN Encarta

4.2 MUESTRA

Todo problema de investigacin cientfica, an el ms abstracto, implica de algn

modo una tarea de medicin de los conceptos que intervienen en el mismo. En

eso consiste, desde el punto de vista lgico ms general, la tarea de medir.

La medicin 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

comparacin patrones de medida universalmente definidos y aceptados.

Por esta razn, medir el voltaje producido por un cuarzo piezoelctrico; ser

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 probabilstica

Ya que sern muestras aleatorias, donde cada uno de los elementos (cristales)

tiene una probabilidad determinada de ser seleccionado para registrar los datos



arrojados de las diferentes pruebas. Para que esto suceda hay que recurrir a

determinadas tcnicas de extraccin de la muestra. Algunas de esas tcnicas 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 TAMAO DE LA MUESTRA

El tamao de la muestra para determinar las caractersticas de un cuarzo

piezoelctrico se determino de al menos 4 fuentes para cada variable.

4.2.3 CARACTERISTICAS DE LA MUESTRA

Definir un parmetro

La caracterstica del cuarzo deber ser su tamao

4.3 ANLISIS DE LA INFORMACION



Figura 4.1 Anlisis de la variacin (Feito Garca, A. 2006)

El cristal se ve afectado por la temperatura, y tiene cierta tolerancia a ella, la

cual es la mxima desviacin de frecuencia para una temperatura especificada,

usualmente 25C.

Cuando se incrementa la frecuencia solicitada, el espesor del cuerpo del cristal

disminuye y por supuesto existe un lmite en el proceso de fabricacin.

Alrededor de 30MHz, el espesor de la placa del cristal comienza a ser muy

delgada.

Material piezoelctrico puede convertir la vibracin en energa aumentada al

100% cuando se le fabrica a un pequesimo tamao, de aproximadamente 21

nanmetros de espesor.

El efecto piezoelctrico es exhibido por materiales naturales como el cuarzo, la

turmalina, la sal de Rochelle, etc., pero desafortunadamente es muy

pequeo, sin embargo se han desarrollado materiales con propiedades

mejoradas, como los materiales cermicos ferro elctricos policristalinos como

el BaTiO3 y el Zirconato Titanato de Plomo.

De los cortes que se pueden hacer, el corte "AT" es el ms 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 segn su calidad, la frecuencia de oscilacin.



4.4 RESULTADOS

Los materiales piezoelctricos, al ser sometidos a tensiones mecnicas, adquieren

una polarizacin elctrica en su masa. Utilizando cristales de este material, que

sern aplastados por miles de vehculos diarios, se supone generar 400 kilowatts con por kilmetro. Estos 400 kilowatts son equivalentes a la energa utilizada en ocho autos pequeos.


CAPITULO 1. PROBLEMA.CAPITULO 2. MARCO TEORICO3.4 Operalizacion de hiptesisCAPITULO 2. MARCO TEORICO.3.4 Operalizacion de hiptesis

Generacion de Energia Electrica Por Medio Del Efecto Piezoelectrico

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