Propiedades de Materiales. Piezo / Piroelectricidad.

La piezoelectricidad es una propiedad de ciertos materiales que tiene que ver con su capacidad de conversión de energía (capacidad para generar trabajo). Si decidimos comprimir dichos materiales, éstos generarán un voltaje que puede producir corriente eléctrica. También a la inversa, si les aplicamos una diferencia de potencial, dichos materiales cambiarán sus dimensiones. Habrá a quienes esta propiedad les parezca una curiosidad física y a otros les sorprenderá gratamente, viendo un sinfín de posibilidades, la historia nos dice que la razón la tenían los segundos, aunque tardaron en demostrarlo.



Ya en el siglo XIX se conocía este efecto. Existe otro análogo llamado piroelectricidad, que consiste en que al cambiar la temperatura de un cristal éste genera una diferencia de potencial (es decir, un voltaje, una corriente eléctrica), y a la inversa. Los hermanos Pierre y Jacques Curie estudiaron este efecto, aunque no se dio una explicación precisa hasta tiempo después. La razón de estos dos efectos radica en una propiedad inherente de las moléculas, iones y átomos que componen un material cristalino, que afecta macroscópicamente al material, el dipolo eléctrico, generando la polarización P. Pero no solo eso, también es muy importante la estructura cristalina, y atendiendo a las simetrías traslacionales, hay 32 tipos de cristales, pero solo 21 no tienen centro de simetría, de los cuales 20 presentan propiedades piezo/piroeléctricas.

Estos dos procesos están relacionados, por ejemplo, todos los materiales piroeléctricos son además piezoeléctricos, y para que se genere un voltaje o se dé el inverso, ha de cambiar su polarización. Esto no implica que cuando el material está libre tenga polarización (dieléctricos, P=0 en ausencia de campo eléctrico), aunque puede ocurrir (ferroeléctricos, P distinto de 0 después de aplicarle un campo eléctrico). Al cambiar la temperatura o dimensiones de un cristal de los elegidos, se cambia la posición relativa entre los átomos de cada molécula y esto deriva en un cambio del momento dieléctrico, y en un cambio de la polarización.


Y, ¿cómo de abundante es la corriente generada en un proceso de este tipo? Pues en el caso del piroeléctrico hay investigaciones que indican que se puede llegar hasta aproximadamente el 85% de eficiencia del Ciclo de Carnot (máxima eficiencia). En el piezoeléctrico, como ejemplo, una fuerza de 2000 Newtons sobre un centímetro cúbico de cuarzo genera unos 12500 V (el del enchufe en España es de 220V)

Existen muchos materiales piezoeléctricos, naturales y sintéticos. Los naturales más populares son el cuarzo (Una forma del importantísimo SiO2), la turmalina, el topacio, la sal de la Rochelle, los huesos (debido al colágeno). Otros importantes son el titanato de bario o el titanato de plomo. Y finalmente, ¿para qué podemos utilizar dicha propiedad? Bueno, en los materiales cualquier defecto en otras ocasiones puede convertirse en ventaja, y viceversa.

El uso más cotidiano es el de los mecheros, en los que al comprimir rápidamente pequeño cristal de cuarzo se genera un voltaje tal que produce la conocida chispa. Pero hay mucho más tras este clásico artefacto, como son los sensores (como el de sonido, el sónar), operar y modificar objetos con mucha precisión (se necesitan voltajes muy altos para modificar poco las dimensiones de un material piezoeléctrico), relojes de cuarzo, etc. Por lo tanto, siempre observemos la romántica y pulmonalmente perjudicial escena de pedir fuego para un cigarrillo, sabremos que en ella se produce un fenómeno mucho más sorprendente.

6 comentarios:

  1. En una importante Universidad de Medellín Colombia se ha inventado el reemplazo eficiente y rentable de los combustibles fósiles.
    La nueva energía es limpia, renovable, silenciosa, inagotable, no se tiene que transportar porque se produce en el mismo sitio de consumo.
    Se llama GENERADOR PIEZOELÉCTRICO DE PASCAL. Ver: https://esnoticia.co/noticia-105738-generador-piezoelctrico-de-pascal
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