COMO FUNCIONA:
EL CHISPERO SIN PILAS NI CABLES NI PIEDRAS
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José Luis Giordano
Septiembre 2003 (Última revisión: Diciembre 14, 2004)




En los antiguos encendedores de cigarrillos, el gas o la "bencina blanca" se enciende con chispas producidas por la fricción de un rodillo metálico contra una piedra. El color amarillo-rojizo de las chispas corresponde a la temperatura de las partículas de piedra que se han desprendido. Por otro lado, los chisperos eléctricos (tanto los que usan pilas como los que se conectan a la red eléctrica a través de un cable), generan un campo eléctrico superior a tres kilovolt por milímetro (i.e., 3 kV/mm), suficiente para ionizar el aire produciendo chispas de color blanco-azulado, de mayor temperatura.

Pero existen otros chisperos para estufas, cocinas y hornos (también usados en encendedores de gas para cigarrillos), que tampoco tienen piedras y que parecen inagotables, pues producen chispas azuladas sin poseer cables, ni pilas o baterías. De hecho, hace unas 3 décadas se anunciaban por televisión diciendo simbólicamente "duran 104 años!" Uno podría entonces preguntarse de dónde obtienen energía estos chisperos. Como los que usan piedras, la energía proviene del esfuerzo del usuario, en presionar o accionar un mecanismo. Pero la pregunta central es: ¿cuál es el principio físico de estos chisperos inagotables?

Al desarmar cualquiera de estos dispositivos, uno se sorprende al ver que solo tienen 4 partes simples:
(1) una o dos piezas cerámicas alargadas (que suelen estar encerradas en un receptáculo),
(2) una palanca o mecanismo sencillo de presión o impacto,
(3) dos partes metálicas que sirven de electrodos (una de ellas terminada en punta), y
(4) cables o contactos eléctricos que unen los electrodos con los cerámicos.

El conjunto está diseñado para presionar o golpear un tipo de material, que a partir de la presión genera el campo eléctrico necesario para ionizar el aire. Este fenómeno se denomina "piezoelectricidad", y los cerámicos que convierten energía mecánica en eléctrica, se denominan "piezoeléctricos". Además de los chisperos, se los utiliza en micrófonos, sensores de ultrasonido (en alarmas, ecógrafos y sonares), y en algunas de las viejas cápsulas fonocaptoras. Estos materiales también manifiestan el efecto piezoeléctrico inverso, la conversión de energía eléctrica en mecánica. Esto permite su utilización en buzzers, parlantes (principalmente los de alta frecuencia, denominados tweeters), y emisores de ultrasonido (en limpiadores, alarmas, ecógrafos y sonares).

El material piezoeléctrico básico suele ser un compuesto de la familia del circonato titanato de plomo, Pb(Ti,Zr)O3, modificado con composiciones menores de otros aditivos. En presencia de un campo eléctrico (generado aplicando un voltaje en los extremos, a lo largo del cerámico), estos compuestos se "electrizan". Cuando se retira el campo, quedan eléctricamente cargados (análogamente a lo que sucede en el magnetismo con los materiales ferromagnéticos. Sin embargo, nunca deben confundirse ni el origen físico ni las características de la polarización eléctrica, con las de la magnetización ferromagnética). Los cerámicos que tienen esta propiedad, por analogía con los ferromagnéticos como el hierro y el níquel, se denominan "ferroeléctricos" (aunque no poseen hierro). Para convertir un ferroeléctrico en piezoeléctrico, se somete el cerámico a un tratamiento térmico de "polarización" en presencia de un campo eléctrico, a una temperatura cercana pero inferior a la temperatura de Curie (a la que dejan de ser ferroeléctricos; unos 300 °C). El piezoeléctrico resultante, tiene una estructura cristalina eléctricamente ordenada, de forma tal que cuando se le aplique un voltaje V a lo largo de la dirección de polarización, el cerámico se contrae o alarga en esa dirección. Por el contrario, si se le aplica una tensión o compresión mecánica s en esa dirección, se genera un voltaje positivo o negativo en los extremos. De este modo se tiene un material transductor de energía mecánica a eléctrica y viceversa.

Los chisperos que poseen un mecanismo de impacto, generan una sola chispa, después de golpear al cerámico. Pero los que reciben un aumento de presión "a la ida" y una descompresión "a la vuelta", generan una serie de chispas en ambas etapas. En éstos, es notable cómo se siente sobre el dedo que oprime el pulsador, una secuencia de "golpecitos" como si se accionara algún mecanismo de golpes a repetición. Sin embargo, esta vibración corresponde simplemente a una secuencia de variaciones en la presión, con la que el piezoeléctrico deja de reaccionar contra el mecanismo, cada vez que salta una chispa. Esto se debe a que su microestructura se "acomoda" a una nueva longitud de equilibrio, bajo esa presión exterior.

Según el material, la constante g de voltaje piezoeléctrico es del orden de g = 30 V mm/N. Por lo tanto, para un cerámico de longitud L = 5 mm (como los utilizados en encendedores de cigarrillos), se tiene gL = 150 V/MPa (el pascal, Pa, es la unidad de presión equivalente a 1 N/m2). Para ver lo que esto significa, pueden omitirse detalles diciendo que la tensión genera un voltaje V = gL. Por ejemplo, aplicando una fuerza de 10 kilogramo-fuerza sobre las caras de una pieza de 3.7 mm de diámetro, se tiene una compresión de aproximadamente = 10 MPa, que generaría 1.5 kV, voltaje suficiente para producir una chispa entre electrodos separados por 0.5 mm de aire.

En la práctica se utilizan 2 piezoeléctricos iguales para producir la chispa en el doble de distancia. Esta solución es estructuralmente más resistente que utilizar un cerámico más largo.

Otro aspecto que permite aumentar la distancia entre electrodos y la intensidad de la chispa, es que un electrodo esté terminado en punta, para intensificar el campo eléctrico. Esto se debe al "efecto punta", descubierto alrededor de 1750 por Benjamin Franklin (1706-1790).

En realidad … estos materiales, por ser cerámicos, son estables e inertes, y pueden durar más que 104 años … pero lo que falla muchísimo antes, es la resistencia de los plásticos y mecanismos utilizados en un chispero de precio accesible. Finalmente, hay que enfatizar que los piezoeléctricos no se comportan como fuentes inagotables de energía, sino como convertidores inagotables entre energía mecánica y energía eléctrica.



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