El cristal de cuarzo: un corazón de piedra

Aún no hace mucho tiempo que los relojes hacían tic-tac, le dábamos cuerda y teníamos que corregir constantemente sus errores horarios. Hoy, son silenciosos, muy precisos y funcionan con pilas que duran años. De la misma forma, otros numerosos dispositivos electrónicos, especialmente la radio y todo lo que se mueve en torno a ella, han evolucionado en precisión gracias a un componente sin igual: el cristal de cuarzo.

El cuarzo es un mineral muy común, de hecho forma parte del granito, que como sabemos es una roca muy utilizada en la construcción. Tiene una curiosa propiedad llamada "piezo-electricidad": si se presionan las dos caras de un cristal de cuarzo, obtendremos entre ellas un voltaje eléctrico. Pero, este efecto es reversible, ya que si aplicamos un voltaje eléctrico con la misma polaridad entre ambas caras, el cristal se comprime de la misma forma que si lo hubiésemos presionado físicamente. Si alternamos la polaridad, el cristal vibrará (comprimiéndose y expandiéndose) al ritmo de la frecuencia del voltaje aplicado, y si esa frecuencia es similar a la de vibración natural del cristal, entonces entrará en lo que se llama "resonancia", momento en el cual alcanza su máxima intensidad de vibración.

 Por tanto, un cristal de cuarzo es capaz de convertir una fuerza mecánica en una energía eléctrica, y al revés, una energía eléctrica en una fuerza mecánica. El fenómeno piezoeléctrico es una propiedad de los cristales cuya red cristalina no es simétrica; además del cuarzo, también la poseen la turmalina y la sal de Rochela.

Tal propiedad ha sido aprovechada en el diseño de numerosos circuitos que utilizamos en nuestra vida cotidiana: este componente es el "corazón" del sintonizador de nuestro televisor, del aparato de video, del receptor de radio, del teléfono móvil, del reloj de pulsera, incluso del mechero; y como no, de nuestro idolatrado ordenador. De hecho, nuestro ordenador puede compartir varios "corazones" de cuarzo, el del microprocesador y sus periféricos (impresora, escaner…), todos ellos latiendo sincronizadamente para que no se produzcan atropellos ni atascos en las autopistas electrónicas por donde tienen que circular los bits.


Dos cristales de cuarzo con diferentes encapsulados. A la derecha se puede observar el disco de cristal en su interior.

 El número de "latidos" de un cristal de cuarzo depende del tipo de circuito: en un reloj de pulsera suele vibrar a 32.768 hz, es decir, vibra 32.768 veces en un segundo. Dado que este valor es múltiplo de 2, puede ser introducido en un divisor electrónico, y tras consecutivas subdivisiones convertirlo en un único latido por segundo, que una vez aplicado a un servo hará avanzar con gran precisión la manecilla del segundero, o mostrar los dígitos (en el caso de un reloj con visualizador digital).

Si tomamos como ejemplo un sintonizador de radio de FM, su cristal de cuarzo puede oscilar a varios millones de ciclos por segundo; esa señal introducida en un circuito resonante variable, permitirá situarnos sobre la frecuencia de la emisora que nos interesa recibir.

En algunas otras aplicaciones, es suficiente con un solo ciclo de presión, ejemplo de nuestro mechero de cocina, de bolsillo, o del encendido de algunos calentadores de gas, los cuales funcionan "golpeando" bruscamente la superficie de un cristal mediante un percutor o martillo.

Los cristales de cuarzo utilizados en los circuitos pueden llegar a ser del tamaño de una cabeza de cerilla. Pero, este factor tiene una limitación, ya que la cantidad de superficie cristalina es un parámetro directamente relacionado con su frecuencia fundamental de vibración. Además, por cuestiones técnicas, en ocasiones no conviene que los cristales vibren a frecuencias demasiado elevadas.

Sin embargo, estas limitaciones físicas pueden ser salvadas eléctricamente, gracias a que un cristal de cuarzo no vibra solo en un sentido, pues lo hace longitudinalmente, transversalmente, y en modo flexor (curvándose o arqueándose), esto significa que además de resonar en una frecuencia fundamental determinada, también lo hace en múltiples frecuencias armónicas, llamadas también "sobretonos". Por ejemplo, si quisiéramos seleccionar un cristal para pilotar un sintonizador de FM que trabajara en una frecuencia fija de 100 Mhz, podríamos utilizar uno que vibrara a 100 Mhz (frecuencia fundamental), a 50 Mhz (primer sobretono), a 25 Mhz (segundo sobretono), o a 12,5 Mhz (tercer sobretono), etc. Lógicamente, cuanto más alejado esté el sobretono de la frecuencia fundamental, más débil será la señal entregada, lo que en electrónica se denomina "pérdida de factor Q" (o pérdida de calidad).


Detalle de un cristal de cuarzo, donde puede observarse el disco con los electrodos metálicos en el centro.

La construcción de un cristal de cuarzo resulta curiosa: primero se corta una lámina (normalmente de forma circular) de sección aproximada a la frecuencia de resonancia fundamental que se desea obtener. Como es técnicamente imposible conseguir la frecuencia exacta durante el corte, es necesario esmerilarla con máquinas muy precisas. Seguidamente, se pulveriza y hornea en ambas caras unas finas películas metálicas de solución de plata, o también mediante evaporación de oro, plata o aluminio, con objeto de disponer de dos superficies de contacto (los electrodos). Mediante una soldadura de bajo punto de fusión, se conectan a las superficies metálicas dos alambres conductores. El punto donde se sueldan los alambres debe ser elegido cuidadosamente, y tiene que ser forzosamente en un punto llamado "nodal", es decir, donde el cristal no produzca vibración, pues en caso contrario el alambre amortiguará la resonancia y dejará de vibrar, de la misma forma que una campanilla se ahogaría si la tocamos con la mano cuando está sonando. Finalmente, el cristal es encapsulado en una caja herméticamente cerrada, de vidrio, metálica u otro material adecuado.

Antes de su comercialización, al cristal se le hace vibrar durante unas horas para que envejezca y se estabilice, igual que sucede en fábrica con el rodaje de los motores de los automóviles.

El tecnotrón

Un comentario:

  1. Felicito al autor de este texto. Es muy claro y explicativo. El efecto piezoeléctrico queda muy claro.

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