En la vida cotidiana hacemos uso de un fenómeno físico que se llama piezoelectricidad sin saberlo. Por ejemplo, algunos encendedores se basan en un material piezoeléctrico del que saltan chispas cuando es sometido a presión. Los zumbadores de ciertos dispositivos son materiales piezoeléctricos que vibran al recibir una corriente alterna de la frecuencia adecuada. Las alarmas de los cinturones de seguridad y antirrobo pueden usar zumbadores piezoeléctricos. En este artículo explicaremos en qué consiste la piezoelectricidad y algunas aplicaciones.
Dispositivos piezoeléctricos
Antiguamente la piezoelectricidad era el fundamento de los fonógrafos, aparatos para registrar y reproducir sonidos. En el mar se usa el hidrófono, que consiste en un apilamiento de láminas de cristal piezoeléctrico sumergidas en aceite dentro de una carcasa. Un perfeccionamiento del hidrófono es el sonar (del inglés sound navigation and ranging). Su funcionamiento se puede comparar con la técnica de los murciélagos para la detección de obstáculos y también se basa en la piezoelectricidad. Aplicaciones análogas son la detección de bancos de peces, mapeos del suelo oceánico o las muy populares ecografías.
Otros usos más especializados son la comprobación de defectos en aceros; la sonicación; los actuadores para posicionar un objeto en un lugar deseado con extraordinaria precisión; la fotolitografía, pudiéndose reproducir detalles de menos de 100 nm; el maquinado ultrasónico, para cortar materiales duros haciendo que vibren partículas de diamante o carburo de silicio; los transformadores de voltaje eléctrico sin bobinas; la microscopía de fuerzas atómicas; la cirugía (desde escalpelos ultrasónicos a endoscopios); la detección de burbujas de aire en diálisis; la eliminación de depósitos grasos en las arterias; los ultrasonidos para fisioterapia; el sensor de impacto para las bolsas de aire de seguridad de los coches; la detección y reducción de vibraciones en aviones e incluso en tablas de esquí, etc…
Pero, ¿en qué consiste la piezoelectricidad?
Fundamento de la piezoelectricidad
La piezoelectricidad fue observada y explicada a principios de la década de 1880 por los hermanos Pierre y Jacques Curie. Un material se dice que es piezoeléctrico (del griego piedsein, presionar) cuando al ser deformado por presión se produce en su interior una separación de cargas que puede dar lugar a una corriente eléctrica. Un material natural que experimenta este fenómeno de forma muy acusada es el cuarzo; eso explica que al golpearlo con fuerza produzca chispas.
Para explicar el fundamento de la piezoelectricidad consideremos la siguiente figura.
Se ha representado un fragmento de material constituido de unidades repetidas (como moléculas o celdas unidad) que por simplicidad se han dibujado como círculos. Como se ve a la derecha, en la ampliación de uno de los círculos, en el interior de las unidades existen cargas opuestas (por ejemplo, en la celda unidad del cuarzo hay iones Si4+ y O2–). Imagínese que la distribución de cargas es como se ve en la figura. Por simetría, los centros de carga positiva y negativa coinciden en el mismo punto (el centro de la unidad) y la unidad resulta eléctricamente neutra.
Ahora bien, si se ejerce presión aplicando una fuerza F sobre el trozo de material, este resultará distorsionado, lo que en la representación que estamos haciendo supondrá que los círculos microscópicos se convertirán en elipses, como se ve en la siguiente figura.
La consecuencia de la deformación será que se separarán los centros de carga positiva y negativa, lo que creará pequeños dipolos en cada unidad elíptica. Y en el trozo de material en conjunto se habrá creado la correspondiente polarización macroscópica P.
Como se ve en la parte izquierda de la figura, las cargas de dipolos microscópicos vecinos dentro del material estarán compensadas entre sí, pero no lo estarán las cargas de las caras laterales del fragmento de material, por lo que una de las caras adquirirá carga positiva y la otra adquirirá carga negativa.
Supongamos que recubrimos las caras laterales con sendas láminas metálicas y que conectamos estas láminas mediante un cable conductor. Al ejercer una fuerza de deformación sobre el material para que se carguen las caras, los electrones libres del cable conductor fluirán hacia la lámina que está en contacto con la cara positiva del material piezoeléctrico. La lámina quedará cargada negativamente, para compensar. En el conductor se habrá producido un flujo de electrones o corriente eléctrica que podrá ser detectado por un galvanómetro. Lógicamente, el flujo durará muy poco tiempo, ya que cesará cuando las cargas negativas de los electrones en la lámina compensen las cargas de la cara positiva del material. (Una compensación similar se producirá en la otra cara).
Si la fuerza cesa, el material recuperará su forma y se producirá de nuevo una corriente eléctrica, pero ahora será en sentido contrario para volver a la situación inicial de las cargas. Por lo tanto, si se aplican ciclos periódicos de compresión y descompresión del material se creará una corriente alterna durante el tiempo que se desee y de la frecuencia (rapidez de cambio del sentido de la corriente) que se quiera. Este es el fundamento de una de las aplicaciones de estos materiales: detectar vibraciones ambientales. Efectivamente, una onda, por su naturaleza periódica, puede ejercer pulsos de presión periódicos sobre un material piezoeléctrico que generarán una corriente alterna.
Piezoelectricidad inversa
Algunos materiales también experimentan el llamado efecto piezoeléctrico inverso, consistente en una deformación mecánica del material cuando se le somete a una diferencia de potencial conectando dos puntos de él mediante cables conductores a una fuente de alimentación. Si esta corriente es alterna, el material sufrirá deformación y recuperación de la forma periódicamente. Este movimiento periódico se transmitirá al aire, creándose así ondas de sonido.
Un sonar funciona del siguiente modo. El aparato emite ondas acústicas que pueden ser producidas por una pieza de cerámica piezoeléctrica (transductor). Estas viajan por el agua, impactan contra un objeto sólido, rebotan y regresan como eco para ser detectadas por un hidrófono. Como se conoce la velocidad del sonido en el agua, se puede calcular con precisión la distancia entre el equipo de sonar y el objeto.
Otro ejemplo de aplicación es el micrófono y el altavoz. Si una persona habla por un micrófono, las ondas de sonido de su voz hacen que un diafragma vibre. Una cerámica piezoeléctrica convierte esta vibración en señales eléctricas que se pueden almacenar. Y al revés, las señales eléctricas pueden transmitirse a un altavoz piezoeléctrico que las convierte de nuevo en ondas de sonido.
En general, la mayoría de las aplicaciones de la piezoelectricidad se basa en la conversión de la energía mecánica de una vibración en la energía eléctrica de una corriente alterna o viceversa.
