Al girar el mando de encendido de una cocina de gas, se oye un clic y salta una pequeña chispa. Sin pilas ni enchufe, basta con la fuerza que ejerce un dedo al pulsar el botón para producir la chispa. ¿Qué ocurre dentro de este pequeño dispositivo?
El secreto está en un fragmento de un cristal especial. En algunos sólidos, al comprimirlos o estirarlos, se acumula carga eléctrica en la superficie. Este fenómeno se llama «efecto piezoeléctrico» (Piezoelectric Effect). Lo fundamental es que un mismo material puede convertir la fuerza en electricidad y la electricidad de nuevo en fuerza.
En este artículo veremos, por orden, cómo se produce el efecto piezoeléctrico, qué significa su nombre, cómo funciona el efecto inverso, en el que el material se deforma al aplicarle electricidad, y cuáles son sus aplicaciones en encendedores, relojes, sonares y equipos de ultrasonido.
Cómo convierten los cristales la fuerza en electricidad y viceversa
Cristales que acumulan carga al comprimirlos
El efecto piezoeléctrico se manifiesta con especial claridad en los materiales cuyas partículas se disponen de una manera particular dentro del cristal.
(1) Cómo se desplazan las cargas hacia un lado
Dentro del cristal, las partículas con carga positiva y negativa están dispuestas de forma regular. Cuando el cristal se comprime y se deforma, los centros de las cargas positivas y negativas se desplazan ligeramente uno respecto del otro. Como resultado, en dos caras opuestas del cristal se acumulan cargas de signo contrario.
(2) La ausencia de simetría como condición
Si el cristal es perfectamente simétrico de arriba abajo o de izquierda a derecha, los desplazamientos de carga se anulan entre sí incluso al deformarlo. Por eso el efecto piezoeléctrico solo aparece en cristales sin simetría central. El cuarzo es un ejemplo característico. También se sabe que el efecto aparece débilmente en materiales biológicos como el azúcar y el hueso.
(3) El significado del nombre
El término «piezoelectricidad» procede de dos palabras del griego antiguo que significan «presionar» y «ámbar». Como el ámbar es una gema que genera electricidad estática al frotarla, se usó como símbolo de la electricidad. En 1881, el alemán Wilhelm Hankel acuñó el nombre con el sentido de «electricidad producida por presión».
El efecto también funciona a la inversa
El efecto piezoeléctrico funciona en ambos sentidos. Al comprimir el material se obtiene electricidad y, al aplicarle electricidad, cambia su forma.
(1) Efecto piezoeléctrico directo e inverso
Obtener electricidad al aplicar una fuerza se denomina efecto piezoeléctrico directo. Deformar el cristal al aplicarle un campo eléctrico se denomina efecto piezoeléctrico inverso. Ambos efectos se dan en un mismo material y se aprovecha uno u otro según la aplicación.
(2) El descubrimiento de los hermanos Curie
En 1880, los hermanos franceses Pierre y Jacques Curie demostraron por primera vez el efecto piezoeléctrico directo en cristales como la turmalina, el cuarzo y la sal de Rochelle. Al año siguiente, Gabriel Lippmann dedujo a partir de los principios de la termodinámica que debía existir un efecto en sentido inverso. Los hermanos Curie lo confirmaron enseguida mediante experimentos.
(3) Cambios muy pequeños
El titanato zirconato de plomo (PZT), un tipo de cerámica piezoeléctrica, genera una señal eléctrica medible aunque sus dimensiones cambien menos de un 0.1 %. A la inversa, cuando se le aplica electricidad, la variación de sus dimensiones también es muy pequeña y ronda como máximo el 0.1 %. Precisamente por eso se pueden controlar con precisión movimientos muy pequeños.
Dispositivos piezoeléctricos en la vida cotidiana
Los dispositivos piezoeléctricos se usan más cerca de lo que parece. Para entender cómo se utilizan, conviene distinguir entre los que convierten la presión en electricidad y los que usan la electricidad para generar vibraciones.
- En un encendedor (Igniter), al pulsar el botón, un pequeño martillo con resorte golpea el cristal piezoeléctrico. La alta tensión que se genera en ese instante hace saltar una chispa en un espacio estrecho y enciende el gas.
- En un reloj de cuarzo (Quartz Clock), al aplicar tensión a una pieza de cuarzo, esta vibra a una frecuencia constante determinada por la forma del cristal. Esa vibración regular sirve de señal para medir el tiempo. En los relojes de pulsera se suele usar cuarzo que vibra 32,768 veces por segundo.
- En los micrófonos y las pastillas (Microphone and Pickup), las vibraciones del sonido ejercen presión sobre un elemento piezoeléctrico y generan una señal eléctrica acorde con su intensidad. Este efecto se utiliza en las pastillas de las guitarras eléctricas y en los micrófonos de contacto.
- En algunas impresoras de inyección de tinta (Inkjet Printer), se aplica electricidad a un elemento piezoeléctrico para deformarlo. La fuerza de esa deformación expulsa la tinta en gotas diminutas.
Del sonar al microscopio, cada vez más aplicaciones
Durante mucho tiempo, el efecto piezoeléctrico fue una curiosidad de laboratorio. Con la aparición del primer dispositivo de uso práctico, sus aplicaciones se ampliaron rápidamente.
(1) El sonar como primera aplicación práctica
En 1917, durante la 1.ª Guerra Mundial, el francés Paul Langevin y sus colegas detectaron submarinos emitiendo ultrasonidos con un dispositivo que llevaba láminas finas de cuarzo adheridas entre placas de acero. El sonar, que mide la distancia a partir del tiempo que tarda en regresar el sonido, fue la primera aplicación práctica del efecto piezoeléctrico.
(2) La aparición de materiales con un efecto más intenso
En torno a la 2.ª Guerra Mundial, investigadores de Estados Unidos, la Unión Soviética y Japón descubrieron unos materiales sintéticos llamados ferroeléctricos. Más adelante se generalizó el uso de cerámicas como el titanato de bario y el PZT, cuyo efecto piezoeléctrico es decenas de veces mayor que el de los cristales naturales. Hoy en día, la mayoría de las sondas de los equipos médicos de diagnóstico por ultrasonido utilizan elementos piezoeléctricos.
(3) Una punta capaz de leer átomos
Los microscopios de sonda de barrido que permiten observar átomos uno a uno aprovechan el efecto piezoeléctrico inverso. Con variaciones muy pequeñas de la tensión, pueden mover la sonda con una precisión inferior a un micrómetro.
(4) Retos aún por resolver
También se ha intentado obtener electricidad de las pisadas al caminar. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos abandonó su investigación sobre la generación de electricidad dentro de las botas militares por la carga que suponía para quienes las llevaban. Se sigue investigando cómo aprovechar los movimientos del cuerpo o las vibraciones de las máquinas para obtener electricidad con la que alimentar pequeños sensores.
En el efecto piezoeléctrico, la fuerza puede generar electricidad y la electricidad puede generar fuerza dentro de un mismo cristal. Resulta interesante que la chispa de un encendedor, la vibración regular de un reloj y los ultrasonidos que se emiten por debajo de un barco se basen en el mismo principio.
El primer paso para entender el efecto piezoeléctrico es saber que la fuerza de compresión y la electricidad pueden generarse mutuamente.
