Piezoelectricidad.

Teoría: sonar, ecografía y relojes digitales
Nuestro cristal piezoeléctrico

Presionando sobre las caras de algunos cristales se puede lograr una diferencia de potencial entre ellas. Ese voltaje es el que hace saltar las chispas entre los terminales de dos cables eléctricos aproximándolos entre si y manteniendo unidos los otros extremos a las caras.

¿Recuerdas el clic-clac de los encendedores y la chispa que salta entre las puntas?


Nosotros hemos desarmado (destrozado) un mechero.

Teoría:

La propiedad de la piezoelectricidad fue observada por primera vez por Pierre y Jacques Curie en 1881 estudiando la compresión del cuarzo. Al someterlo a la acción mecánica de la compresión, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga. Esta polarización es la causante de que salten las chispas.

Para que la materia presente la propiedad de la piezoelectricidad debe cristalizar en sistemas que no tengan centro de simetría (que posean disimetría) y por lo tanto que tengan un eje polar. De las 32 clases cristalinas, 21 no tienen centro de simetría. Todas estas clases menos una tienen la propiedad piezoeléctrica en mayor o menor medida.
Los gases, los líquidos y los sólidos con simetría no poseen piezoelectricidad.

Si se ejerce una presión en los extremos del eje polar, se produce polarización: un flujo de electrones va hacia un extremo y produce en él una carga negativa, mientras que en el extremo opuesto se induce una carga positiva.

El alto voltaje obtenido, que es necesarion para que salte la chispa, es mayor si se utilizan láminas de cristal estrechas y de gran superficie. Las láminas estrechas se cortan de manera que el eje polar cruce perpendicularmente a dichas caras.
La corriente generada es proporcional al área de la placa y a la rapidez de la variación de la presión aplicada perpendicularmente a la superficie de la placa (dF/ dt es la rapidez del clic-clac).

Otra aplicación importante de la piezoelectricidad es la que resulta por cumplirse la propiedad inversa:

Si sometemos la placa de material piezoeléctrico a una tensión variable, se comprime y se relaja oscilando a los impulsos de una señal eléctrica.

Si esta placa está en contacto con un fluido le transmite sus vibraciones y produce ultrasonidos.
La primera aplicación práctica de la piezoelectricidad, que surge de la cualidad de transformar una señal mecánica (la presión) en una señal eléctrica (corriente eléctrica ), es la del sonar.

Al final de la primera guerra mundial se descubrió que las ondas sonoras producidas por los submarinos podían ser detectadas por un trozo de cuarzo sumergido en el agua, en el que se medían las corrientes generadas pudiéndose detectar de qué dirección venía el sonido.

El sonar consta de una sonda (piezoeléctrico) que es un transductor, es decir, funciona con las dos propiedades:

El emisor se mueve para que la onda emitida barra el espacio hasta localizar la dirección en que se encuentra el obstáculo.El eco recibido golpea el cristal piezoeléctrico y produce una corriente eléctrica. La distancia a que se encuentra el obstáculo que reemite un eco, se obtiene aplicando los cálculos derivados de la teoría del efecto Doopler.

Aplicaciones del efecto piezoeléctrico

Cuando vas al médico y te hacen una ecografía(estudio por imagen de estructuras profundas basado en la reflexión de ondas ultrasónicas), están usando el mismo principio piezoeléctrico. Pulsa aquí para ver como funciona.(howstuffworks). También se explica en castellano en esta otra página.

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.

Su 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 sónar o los ecógrafos pero no tienen mucha calidad para la sensibiliad del oído humano.

En esta dirección podrás aprender mucho sobre la piezoelectricidad.