PIEZOELECTRICIDAD

Articulo leido en el Programa Colombianos para Radioaficionados el domingo 6 de Marzo 2016.

Piezoelectricidad es un fenómeno natural que presentan ciertos cuerpos cristalinos que cuando se le aplica una presión o fuerza a su superficie se generan tensiones eléctricas en sus caras. Es un fenómeno reversible en el sentido que si le aplicamos una corriente eléctrica entonces sus superficies sufren deformaciones mecánicas.

El nombre del fenómeno viene del griego Piezein que significa apretar. El fenómeno fue descrito por primera vez por los franceses Pierre y Jacques Curie en 1881. El fenómeno lo presentan algunos materiales que tienen estructuras cristalinas y el más notable y abundante en la naturaleza son los cristales de Cuarzo pero también hay algunos cristales creados sintéticamente.

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El Cuarzo es muy abundante en la naturaleza y es una estructura cristalina del silicio y está presente en la arena. Cuando se corta un pedacito de este cristal y se somete a una presión entre dos de sus caras, entonces entre las caras que se están comprimiendo aparece una tensión eléctrica. Usando una pequeña laminita obtenida de cortar el cristal de cuarzo en un sentido especial se logra que una presión sobre la lámina se genere una tensión de alto voltaje suficiente para crear una chispa.

Esta propiedad es usada extensamente para hacer encendedores de cigarrillos y de cocinas de gas. La pequeña lámina de cuarzo es golpeada por un gatillo lo que ocasiona la creación de una chispa capas de encender un combustible.

Lo más interesante es que el fenómeno piezoeléctrico también se presenta en el sentido inverso. Si a la laminita de cuarzo en vez de ejercerle una presión se le aplica una corriente eléctrica entonces la laminita se deforma. Esto da pie a varias aplicaciones en electrónica.

Cuando nosotros tenemos una laminita muy delgada de cualquier material y le pegamos un pequeño golpe entonces la laminita empieza a vibrar a una frecuencia propia que depende del tamaño, la forma y el material que está compuesta. En general, entre más delgada es la lámina más alta es la frecuencia. Entre más pequeña más alta será la frecuencia.

Con una laminita de cuarzo vamos a tener el mismo caso. Si a la lámina le damos un pequeño impulso eléctrico, esto sería equivalente a pegarle un pequeño golpe, la laminita entraría en vibración.  Una vibración es un cambio entre zonas de comprensión y expansión. Estos cambios de presión, y debido al efecto piezoeléctrico, presentan una corriente variable a la misma frecuencia que vibra la lámina. De esta manera tenemos una oscilación eléctrica a la frecuencia característica de la lámina. De acuerdo con el corte y forma de la lámina de cuarzo vamos a tener una frecuencia específica. Esto es equivalente a un diapasón el cual cuando lo golpeamos entonces produce un tono de sonido en una frecuencia muy especial, similar pasa si golpeamos una copa de cristal, etc.

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Lógicamente que las oscilaciones se amortiguan en corto tiempo. En electrónica podemos tomar los impulsos generados por la vibración del cuarzo, amplificarlos y la señal amplificada usarla de nuevo para descargar una corriente sobre el cristal y volver a llevarlo a oscilación. De esta manera auto sostenemos continuamente la oscilación de forma indefinida.

Este circuito de un amplificador (que puede ser hecho con tubos o transistores) con una lámina de cristal de cuarzo se conoce como un circuito oscilador el cual va a generar una corriente a una frecuencia  extraordinariamente estable a la frecuencia determinada por las características físicas del cristal.

De esta manera se construyen circuitos osciladores muy estables que se utilizan para suministrar frecuencias que controlan relojes o la frecuencia de operación de los transmisores.

Una ventaja es que como el cuarzo es muy abundante en la naturaleza el costo de los cristales cortados para diferentes frecuencia sea muy barato y esto garantiza osciladores de alta precisión a costos muy bajos.

Sin embargo existe un pequeño inconveniente. La oscilación depende de las dimensiones físicas de la lámina de cuarzo, y el cuarzo como todos los materiales cambian sus dimensiones dependiendo de la temperatura por lo cual la frecuencia de operación depende de la temperatura del cristal.

En la implementación práctica de circuitos electrónicos estos se confinan en espacios cerrados y pequeños. Cuando empiezan a trabajar la temperatura es la del medio ambiente pero con el tiempo los componentes electrónicos generan calor lo que puede ocasionar que la frecuencia de oscilación del cristal se pueda afectar por dilatación de la placa de cuarzo.

Para evitar esto se pueden tener dos soluciones:

Mantener el cristal lejos de fuentes de calor.

Meter el cristal en un horno con temperatura controlada.

Una anécdota, durante la segunda guerra mundial los radiotelegrafistas que tenían que operar el áreas de combate colocaban el cristal de cuarzo en contacto con el cuerpo humano. Como el cuerpo humano mantiene una temperatura constante de 37 grados, el oscilador que controlaba el cristal resultaba muy preciso en frecuencia.

 

 

 

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