¿Cómo saca chispas un encendedor sin pilas ni piedra?

1. Un golpe sobre una cerámica especial produce la chispa

Algunos materiales, como el cuarzo y ciertas cerámicas, generan una tensión eléctrica cuando se les aprieta o se les golpea. Se llama efecto piezoeléctrico. Un encendedor piezoeléctrico aprovecha eso: al presionar el botón, un martillito golpea el material, aparece una tensión muy alta entre dos electrodos y salta una chispa en un hueco pequeño, justo al lado de la salida del gas o de la mecha.

Una patente estadounidense de 1963 para un encendedor de este tipo lo plantea como un objetivo: encender el combustible con la presión de un dedo, sin piedra, sin pilas, sin bobinas de inducción ni catalizadores [1].

En Japón, según una revista técnica de 1973, este sistema pasó a usarse en aparatos de gas domésticos y en encendedores de bolsillo hacia 1963 [2]. No sabemos cuándo llegó a cada país de habla hispana; lo que sí hay en muchas casas es el mismo "clic" en estufas y encendedores de cocina.

Quedan dos preguntas: ¿por qué hace falta un golpe y no basta con apretar despacio?, y ¿qué ocurre dentro del material?

2. Un martillito con resorte golpea el cristal de forma rápida

La revista técnica de 1973 distingue dos maneras de producir la tensión alta: aplicar una presión mantenida o aplicar un impacto. En los aparatos de gas, la pieza piezoeléctrica suele ir dentro de un mecanismo de impacto [2].

Una patente de un mecanismo para encendedores de gas describe cómo funciona. En reposo, el martillo está lejos de la pieza piezoeléctrica, retenido por un seguro. Cuando aprietas, se comprime un segundo resorte; al final del recorrido el martillo se suelta y golpea la pieza, y entonces salta la chispa [3].

Una forma sencilla de imaginarlo (es una explicación nuestra, no un texto de la patente): es como una resortera (llamada tirachinas en España). Tú tensas despacio, pero el disparo ocurre cuando se suelta, con una velocidad que casi no depende de lo rápido que tu dedo apretó. Así el golpe siempre es parecido, aunque presiones con lentitud. Otras fuentes técnicas dicen que un golpe rápido da más tensión que una presión lenta, pero esa idea no la pudimos comprobar en un texto de investigación.

Veamos ahora qué hace el golpe dentro del material.

3. Los hermanos Curie mostraron en 1880 que apretar un cristal produce electricidad

En 1880, Pierre y Jacques Curie midieron cargas eléctricas en la superficie de cristales (turmalina, cuarzo, topacio, azúcar de caña y sal de Rochela, entre otros) cuando los sometían a una fuerza. Según la empresa APC International, lo lograron con muy poco: papel de aluminio, pegamento, alambre, imanes y una sierra de joyero [4]. Pronto se le dio el nombre de piezoelectricidad, para distinguirla de la electricidad estática por frotamiento y de la que se genera al calentar ciertos cristales [4].

Con el tiempo, los cristales se reemplazaron en muchas aplicaciones por cerámicas. APC cuenta que, a mediados del siglo XX, grupos de investigación aislados que buscaban mejores materiales para condensadores descubrieron cerámicas, fabricadas calentando polvos de óxidos metálicos, con una constante dieléctrica de hasta 100 veces la de los cristales cortados, y con propiedades piezoeléctricas también mejores [4]. Ojo: ese "100 veces" se refiere a la constante dieléctrica, no a la fuerza del efecto piezoeléctrico.

La patente de 1963 menciona un material de este tipo, una cerámica policristalina llamada PZT-4, capaz de producir 3000 voltios al comprimirse [1]. Ese valor es de ese material y de esa patente, no de todos los encendedores.

4. Miles de voltios, pero la chispa tiene muy poca energía

Que haya miles de voltios no significa que la chispa sea potente. El estudio de 1973 midió la descarga de una unidad piezoeléctrica concreta (modelo HPSU-1). La descarga tiene dos partes: una chispa inicial de unos 0,5 milijulios y una fase de descarga luminosa (un resplandor eléctrico que sigue a la chispa) de unos 1,5 milijulios, en total cerca de 2 milijulios [2]. Ese estudio habla de salidas de 10 000 voltios o más para este tipo de piezas, y la patente de 3000 voltios; lo más probable es que la diferencia venga de materiales y diseños distintos (es una suposición nuestra).

Un milijulio es la milésima parte de un julio. Para tener una idea: subir un objeto de 100 gramos un metro cuesta aproximadamente un julio, así que 2 milijulios equivalen a subirlo unos 2 milímetros. Es una energía diminuta, y aun así sirve como primer impulso para que empiece a arder una mezcla de gas y aire. Aun así, el gas y la llama pueden causar quemaduras o incendios: se usan con ayuda de una persona adulta.

5. En Japón, muchas estufas modernas usan pilas, y las piezoeléctricas siguen sin necesitarlas

El mismo estudio de 1973 explica que, al pasar del gas manufacturado al gas natural, la ignición piezoeléctrica se volvía más difícil, así que la compañía Tokyo Gas, en Japón, empezó en 1970 a revisar a fondo sus normas de encendido [2]. Cambiar el tipo de gas cambia lo que hace falta para que la chispa prenda.

En Japón, una página de consejos sobre cocinas de gas indica que muchas hoy encienden con pilas y que, si no prenden, lo primero que hay que revisar es la pila [5]. La gran ventaja del piezoeléctrico es que no depende de ninguna pila.

Si quieres investigar por tu cuenta, mira (sin encender nada) el encendedor de la estufa de tu casa: ¿tiene un compartimento para pilas o solo un botón que hace "clic"? El manual de la estufa suele decir qué sistema usa. Y si hay que encender algo, que lo haga una persona adulta.

Fuentes