Cerámicas piezoeléctricas: un poco de historia

 


 Algunos cristales naturales son piezoeléctricos, lo que quiere decir que cuando se aplica presión sobre ellos producen electricidad. Los más conocidos son el cuarzo y la turmalina. Los cristales de cuarzo son especiales para muchos que creen que estos cristales pueden captar buenas vibraciones del cosmos y canalizarlas para beneficiar la salud y el bienestar de una persona. El cuarzo también ha sido una piedra preciosa semipreciosa importante a lo largo de la historia, en forma de amatista púrpura. La turmalina también es una piedra preciosa importante, que generalmente se presenta en tonos de rojo, rosa y verde.

El fenómeno de la piezoelectricidad probablemente fue observado por primera vez por un cazador de la Edad de Piedra que hacía un hacha de piedra o la punta de una lanza, cuando golpeaba un trozo de cuarzo con otra piedra y veía una chispa. Sin embargo, la primera descripción la hicieron los hermanos Curie, Pierre y Jacques, en 1880. Estudiaron cristales naturales de cuarzo y turmalina y otros cristales que crecieron en el laboratorio a partir de sales solubles en agua. Uno era azúcar y el otro se llamaba sal de Rochelle y tenía un comportamiento piezoeléctrico especialmente fuerte.

Aunque los Curie aprendieron sobre la capacidad mágica de los cristales piezoeléctricos para convertir entre presión y electricidad, no encontraron ningún uso práctico para este comportamiento. Las aplicaciones prácticas comenzaron a aparecer a principios del siglo XX. Por ejemplo, los científicos descubrieron que el cuarzo vibraba cuando se exponía a diferentes frecuencias de ondas de radio, lo que condujo a una forma mejorada de sintonizar radios en diferentes canales de transmisión.

Un poco más tarde, se utilizaron cristales piezoeléctricos en fonógrafos. En 1930, se utilizaron en micrófonos láminas finas de sal de Rochelle. La cerámica piezoeléctrica estaba unida a un diafragma, como la parte superior de un tambor, pero mucho más pequeño. Cuando una persona habla por el micrófono, las ondas sonoras de su voz hacen que el diafragma vibre a la misma longitud de onda y frecuencia que las ondas sonoras, de la misma manera que el tímpano vibra con las ondas sonoras que lo golpean. Los sonidos bajos tienen longitudes de onda más largas (más distancia entre sus picos) que los sonidos altos y, por lo tanto, menos vibraciones por segundo. Se puede demostrar colocándose los dedos contra la nuez de Adán (laringe) y tarareando primero un tono alto y luego un tono bajo. Se puede sentir que las vibraciones son más pequeñas para el zumbido agudo. El diafragma de un micrófono amplifica las vibraciones de los sonidos que entran en el micrófono y las transmite a la cerámica piezoeléctrica. Cada combinación de sonidos produce un patrón único de vibraciones que empujan contra la cerámica. La cerámica piezoeléctrica convierte estas pequeñas presiones en una señal eléctrica única que coincide con el patrón único de vibraciones. Esta señal eléctrica se puede almacenar o transmitir a un altavoz donde se convierte de nuevo al patrón original único de ondas de sonido por medio de una cerámica piezoeléctrica o un dispositivo magnético (usando un imán de cerámica). Las cerámicas piezoeléctricas son especialmente buenas para producir sonidos de tono más alto, por lo que generalmente se usan para los altavoces "tweeter" en estéreo, mientras que los imanes de cerámica funcionan mejor para los altavoces "woofer" de tono más bajo.

Todos los primeros materiales piezoeléctricos eran monocristales. En 1941, R. B. Gray obtuvo una patente sobre una cerámica policristalina piezoeléctrica llamada titanato de bario. Este fue un gran avance ya que la cerámica policristalina era más fuerte y más duradera que los monocristales, más barata de fabricar y no soluble en agua como la sal de Rochelle. Uno de los primeros usos del titanato de bario fue para los pescadores, pues se usaba en dispositivos para ayudarlos a buscar bancos de peces.

Durante la década de 1940 se desarrollaron cerámicas piezoeléctricas policristalinas mejoradas, que culminaron con la invención, en 1954, del titanato-circonato de plomo por Bernard Jaffe. Este material, compuesto por átomos de plomo, circonio, titanio y oxígeno, tiene un comportamiento piezoeléctrico especialmente fuerte y abrió la puerta a cientos de nuevas aplicaciones.

Fuente: Richerson. The magic of ceramics

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