Cuarzo Piezoeléctrico

cuarzo piezoeléctrico
  • Nombre: Cuarzo Piezoeléctrico.
  • Constructor/Marca: S. C. P. Ch. París / Pierre Curie.
  • País: Francia.
  • Datación: c. 1900
  • Ubicación actual: Museo Nacional de Ciencias Naturales (MNCN).

Descripción

Describimos uno de los instrumentos de mayor valor científico e histórico que tiene el CSIC.
Se trata de un generador de corriente basado en la piezoelectricidad del cuarzo, diseñado por Pierre Curie y adquirido por el antiguo Laboratorio de Radiactividad de Madrid.

El denominado Cuarzo Piezoeléctrico, (MNCN-1A023) construido en latón y madera, se encuentra en buen estado de conservación y fue restaurado en 1994.

El instrumento consiste en un cristal tallado de cuarzo, en forma de lámina, unido a dos armaduras en sus extremos. La armadura superior sirve para unirlo a un soporte fijo, en tanto que la armadura inferior está unida a un platillo de balanza de manera que puedan colocarse diferentes pesas de masa bien determinada.
Las caras de la parte ancha de la lámina, bien pulidas, están metalizadas, es decir, tienen adheridas sendas láminas de aluminio a las que se han soldado unos terminales eléctricos.

Cámara de ionización

Jacques Curie (1855-1941) había llevado a cabo en el Laboratorio de Mineralogía de la Facultad de Ciencias de París un trabajo muy importante sobre la piroelectricidad, fenómeno que consiste en la generación de electricidad por los cristales cuando se eleva su temperatura. En el transcurso de estas investigaciones, y ayudado por su hermano menor Pierre (1859-1906), descubrieron que cuando se sometía a una fuerza de tracción o de comprensión un cristal de cuarzo, aparecía una carga superficial en las caras proporcional a la presión ejercida. Como consecuencia, en 1881 construyeron el siguiente (figura 1) dispositivo experimental, con el propósito de utilizarlo en las calibraciones.

Llamaron a este fenómeno piezoelectricidad y, posiblemente gracias a este descubrimiento, Jacques en 1883 obtuvo una plaza de profesor de mineralogía en la universidad de Montpellier y en junio de 1888 presentó su tesis doctoral en la universidad de París sobre la constante dieléctrica y la conductividad en cristales.
En 1888, cuando Marie estaba preparando el banco de medida de bajas corrientes como método indirecto de determinar la actividad de una muestra, decidió utilizar el generador de corriente de su marido Pierre para construir su sistema de medida de muy bajas corrientes que se describe en otro lugar de este museo.

 

Esquema del montaje del cuarzo piezoeléctrico de Curie

Si se desmonta el cilindro de protección (Figura 1) se puede observar la situación de la pieza fundamental del aparato, el cristal de cuarzo, que produce la carga.

Cuando se aplica un peso que tiende a estirar la lámina, se genera una carga superficial en las caras del cristal. Si las láminas de aluminio se conectan a tierra se induce en ellas una carga bien determinada.

Q= K· [ l·p / e]

Donde Q es la carga, l la longitud de la lámina y e su espesor.

Su funcionamiento es muy fácil de entender, como se aprecia en la animación. Cuando se aumenta el valor de la fuerza aplicada aumenta la carga cautiva en sus láminas laterales, en tanto que cuando esa fuerza disminuye el aparato libera carga que, en este caso, va a tierra.

En el caso del cuarzo piezoeléctrico que estamos describiendo, de características muy similares al utilizado por Marie Curie en su banco de medidas, se produce una carga de unos 200 picoculombios (2·10-10 Culombios) cuando se coloca sobre el platillo una masa de 100 gramos. La pesa mayor que se podía utilizar era de 500 gramos, pero utilizando una masa de 1 gramos se acumulaba una carga de tan solo 2 picoculombios.

funcionamiento del cuarzo piezoeléctrico

Cuando se utiliza en el montaje diseñado por Marie y Pierre Curie (Figura 2)), la carga acumulada sobre la armadura positiva se puede liberar disminuyendo la fuerza de estiramiento del cristal, compensando así la variación de la carga de la placa positiva de la cámara de ionización, en la forma en que indica en el laboratorio Curie. En el caso de que el proceso de descarga se extiende a 200 segundos pueden determinarse corrientes del orden de 10-14 Amperios.

Esquema del experimento de los Curie

Seguramente los lectores se habrán preguntado la razón de utilizar un instrumento tan sofisticado cuando se podría haber sustituido por un condensador y una fuente de tensión variable manejada por un potenciómetro e infinitamente más sencilla de utilizar que el cuarzo piezoeléctrico de Curie. La razón es la falta de estabilidad de las pilas, pero este punto lo trataremos en otro apartado.


squema de funcionamiento del cuarzo piezoeléctrico
principio de la piezoelectricidad
Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Aparatos e Instrumentos Científicos del CSIC. Cuarzo Piezoeléctrico.
Autores de la Ficha: J.M. López Sancho / Esteban Moreno Gómez
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