⚡ El efecto piezoeléctrico: Corriente inducida por percusión

En este artículo hablaremos del “Efecto piezoeléctrico“, un efecto que ya por su nombre se intuye que es bastante molón y que muchos lo usan diariamente sin saberlo.

Como reza el título del artículo, este efecto consiste en generar una chispa o más bien una corriente eléctrica a partir de una percusión o deformación (Una percusión se define en física como la aplicación de una fuerza intensa en un breve período de tiempo).

Pero no nos confundamos con las “chispas” producidas por el típico pedernal al golpearlo con otra piedra / raspar con algo de hierro. En ese caso se produce una chispa que induce a la ignición porque parte del material que es arrancado debido al contacto reacciona con oxígeno y se produce una reacción química (Combustión).

En el caso del efecto piezoeléctrico no hay química involucrada; es más bien física.

Efecto piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico (del griego antiguo “piezein”: presionar) describe la propiedad de determinados sólidos para generar una carga eléctrica bajo tensión mecánica. La “fuerza de actuación” modifica la estructura microscópica del cuerpo creando dipolos cuya resultante total es una diferencia de potencial o voltaje, induciendo corriente eléctrica.

Además, es posible el efecto contrario: Al aplicar una diferencia de potencial, los materiales piezoeléctricos pueden sufrir deformaciones elásticas.

Esta propiedad y su capacidad para ser invertida tiene diversas aplicaciones en el ámbito de la ingeniería que veremos a continuación. Uno de los materiales piezoeléctricos más importantes y comunes es el cristal de cuarzo (SiO₂).

Efecto piezoeléctrico en cristales de cuarzo

El cuarzo es un ejemplo de un cristal piezoeléctrico natural. Los cristales de cuarzo están hechos de átomos de silicio y oxígeno en un patrón repetitivo.

Los átomos de silicio tienen una carga positiva, mientras que los átomos de oxígeno tienen una carga negativa. Normalmente, cuando el cristal no está bajo ningún tipo de estrés externo, las cargas se dispersan uniformemente en las moléculas a través del cristal, de manera que el voltaje es idénticamente nulo en todas las partes del cristal. Pero cuando el cuarzo se estira o comprime, el orden de los átomos cambia ligeramente.

Esta deformación causa que exista una acumulación relativa de cargas negativas en un lado y cargas positivas en el lado opuesto. De esta manera, la resultante total de las cargas es una diferencia del potencial o voltaje entre los dos lados del cristal. Al conectar los extremos del cristal a un circuito eléctrico podemos obtener una corriente eléctrica.

Cuanto mayor sea la percusión o fuerza, más estricto y rápido será el ordenamiento de los átomos, de manera que la corriente inducida será mayor. Además, como hemos anticipado al inicio, se puede obtener el efecto inverso. Y es que al aplicar una tensión en los extremos del cristal los átomos se ordenan, de manera que el sólido se deforma.

Aplicaciones del efecto piezoeléctrico

Mecheros eléctricos y encendedores

Una de las aplicaciones más cotidianas de este efecto es en los mecheros eléctricos y encendedores en general que no usen pedernal.

En un mechero convencional usamos una rueda que rasca un pedernal cuya chispa enciende el gas. En ese caso el mecanismo es simple y se ve. Pero… ¿Os habéis preguntado como enciende la llama un mechero eléctrico? Doy por hecho que de pequeños habréis desmontado uno y habréis sacado una cosa tal que así:

Que se usaba básicamente para dar calambres y sustos.

En el interior de este aparato hay un “martillo” cargado con un muelle que se carga y se suelta al apretar el aparato, de manera que golpea un cristal piezoeléctrico y genera la corriente. Esta chispa a pesar de ser pequeña es capaz de encender el gas.

¿Bujías piezoeléctricas?

Escribiendo este artículo me ha venido a la mente una idea. Si se puede encender un mechero usando un material de este tipo… ¿Por qué no emplear “bujías piezoeléctricas” en los motores de los coches para así no depender de la batería?

Vamos a pensarlo por un momento. De usar bujías piezoeléctricas, no habría problemas de arranque en los coches. Es decir, un mal mantenimiento o dejarse las luces encendidas toda la noche no impediría que arrancásemos el motor, ahorrando muchos disgustos. Las bujías inicialmente podrían ser accionadas por un acumulador neumático y luego con el propio movimiento del motor ¿Podría ser una idea revolucionaria?

Pues lamentablemente no. Es una idea que ya se barajó en su momento, y el hecho de que no se empleen indica que no tuvo mucho éxito. Haciendo una búsqueda en internet he encontrado que en 1961 se hizo muy famoso un artículo en la revista Popular Science donde se decía que las bujías piezoeléctricas iban a suponer una revolución tecnológica.

Sin embargo, el hecho de que un motor opere a unas revoluciones tan elevadas hacían imposible su uso. Un motor girando a 3000 rpm requeriría unas 25 chispas por segundo, imposible de alcanzar en un material de este tipo debido a que no daría tiempo a reordenarse los átomos.

No obstante, eso no quiere decir que no se haya usado en motores de prueba o en recreaciones. Aquí hay maquetas de motores que emplean bujías piezoeléctricas.

Añado información adicional aportada en los comentarios por parte de Diego: “las bujías piezoeléctricas no impedirían “depender de la batería” para arrancar un vehículo de motor de gasolina. Es necesario mover el motor con el motor de arranque (o cuesta abajo) y que al menos un cilindro pase por las fases de compresión y explosión para poder arrancar. Lo que sí ahorraría una bujía así es todo el sistema de encendido, que antes de existir el encendido electrónico era bastante farragoso y con ajustes frecuentes (platinos, distribuidor, etc.).”

SONAR y sensores electrónicos

El sonar​ (del inglés SONAR: Sound Navigation And Ranging, ‘navegación por sonido’) es una técnica que usa la propagación del sonido bajo el agua para navegar, comunicarse o detectar objetos sumergidos.

El mecanismo de funcionamiento de un sonar tiene sus bases en un cristal piezoeléctrico. Las ondas de sonido, que son básicamente variaciones locales de la presión, al rebotar con el objeto o superficie vuelven al sensor piezoeléctrico, que es capaz de detectar dicha vibración aportando un pequeño voltaje. Toda esta información obtenida en forma de micro-voltajes es analizada y extrapolada de forma que somos capaces de recrear las proximidades.

Del mismo modo, es fácil pensar como funciona un detector de ultrasonidos. El sensor piezoeléctrico detecta las variaciones de presión transmitidas por el aire y aporta la información necesaria.

Haciendo una analogía, podemos decir que se parece un poco al funcionamiento del oído humano, donde se transforman las ondas de sonido en impulsos nerviosos que son analizados por el cerebro para que, en su conjunto, nos recree el sonido en sí.

Además del sonar, puede emplearse esta propiedad en otros tipos de aparatos electrónicos que transformen pequeñas variaciones “mecánicas” en información. Otro ejemplo es en el caso de las guitarras eléctricas, donde se emplean sensores piezoeléctricos para generar un sonido en función de cómo toquemos las cuerdas. Es obvio que, de no tener un sensor de este tipo, las notas musicales vendrían “pre-grabadas”, de manera que habría X sonidos posibles y no tendría gracia (Como ocurre por ejemplo en el caso de pianos electrónicos de juguete).

Caramelos que brillan al romperse: Triboluminescencia

Un fenómeno relacionado es la triboluminescencia, consistente en la emisión de luz posterior a una deformación o fractura vía mecánica o térmica. Los materiales piezoeléctricos exhiben este fenómeno al romperse ya que sus propias partes chocan entre sí generando “luz”. Es por ello que, si frotamos dos trozos de cuarzo, observaremos que se iluminan.

Una curiosidad es que el azúcar de caña entra dentro de la gama de materiales piezoeléctricos. No es tan efectivo como el cuarzo por ejemplo pero por su definición debería de generar una luz al romperse.

De esta forma, y como anticipó Francis Bacon en el año 1620, se supone que si rompemos algo hecho de azúcar y lo grabamos a cámara lenta en la oscuridad observaremos una chispa.

It is well known that all sugar, whether candied or plain, if hit hard, will sparkle when broken or scraped in the dark.

Francis Bacon, Novum Organum

Y resulta que tenía razón:

Materiales piroeléctricos

No quería acabar este artículo sin hacer especial mención a los materiales piroeléctricos, los cuales y en analogía a los piezoeléctricos, tienen un comportamiento similar cambiando “esfuerzos” por temperatura.

Resulta que hay materiales que, en función de la temperatura, son capaces de generar un voltaje diferente. Su utilidad es inmediata: sensores térmicos. De esta forma, se puede convertir la radiación térmica en voltaje, y este voltaje en información.

Empleando esta tecnología surgen los detectores de movimiento, medidores de radiación, detectores de infrarrojos o termómetros de alta resolución entre otros.

La principal ventaja de los detectores de movimiento por láser respecto a los de ultrasonidos es que son más precisos (No afectan las perturbaciones del fluido) y pueden funcionar en el vacío.