Listige ratelvonk

Karel Knip

De kleine genoegens van alledag: een huishoudelijk apparaat repareren omdat het kapot ging vóór het versleten was. Het moet helemaal uit elkaar maar als het nog kapotter gaat is het niet erg.

Deze week was het de beurt van de piëzo-elektrische gasaansteker van de Hema, nog geen maand in huis en opeens zo dood als een pier. Vier weken lang had hij genoeglijk gerateld en viriel gevonkt maar van de ene dag op de andere was het voorbij. Geen geratel, geen gevonk. Alsof er iets in hem geknapt was.

Het is niet het eerste wat je verwacht van een piëzo-elektrische aansteker want daar zit niet veel in dat kapot kan. Ja, de piëzo-elektrische aansteker van Blokker was ook al snel kapot gegaan maar dat kwam omdat hij helemaal niet piëzo-elektrisch was, dat was een vergissing geweest van Blokker. De piëzo-elektrische aansteker van Blokker bevat een batterijtje en een bobine en elektronische componenten die de gelijkspanning van de batterij omzetten in een wisselspanning of een pulserende gelijkspanning, in ieder geval iets dat het inductiespoeltje omhoog kan transformeren. Daar waren weerstanden, condensatoren en transistoren te zien geweest. Een printplaatje. Allicht dat dat kapot ging als het op de grond viel.

Maar de Hema-aansteker? Het was een kleine moeite om de plastic koker aan het uiteinde open te wrikken als eenmaal de blikken huls aan de andere kant was losgetrokken. Wat zat erin? Bijna niets. Een aardstralenkastje met twee stroomdraden, waarvan slechts één geïsoleerd, en een ruwijzeren gekromde hefboom die scharnieren kon in een al even ruwijzeren rechthoekig raampje. Dat raampje omvatte een vettig plastic buisje waarbinnen zich iets bevond dat door de hefboom werd samengeperst en dan kennelijk elektrische spanning ontwikkelde. Want daar gingen de stroomdraden heen.

De hele contraptie viel zonder hulpmiddelen uit elkaar te halen, er waren geen schroeven, nagels of klikverbindingen voor gebruikt. Uit het buisje rolden twee massieve ronde staafjes die elk op één van de uiteinden van een ferme streep waren voorzien. De min van minpool, wat anders. De piëzo-elementen, want dat waren het, zijn met de gelijknamige polen tegen elkaar gedrukt en een van de stroomdraden tapt op die plaats de stroom af. Hoewel ze achter elkaar staan zijn ze dus toch parallel geschakeld, het is een listigheid die al in het eerste patent voor de toepassing van piëzo-elementen in een sigarettenaansteker beschreven staat.

Dat Amerikaanse patent van Thomas Buitkus is uit 1965 en geeft een aardige beschrijving van de werking van piëzo-elektrische materialen in het algemen. Het zijn, zoals gezegd, materialen die een elektrische spanning ontwikkelen als ze onder druk worden gezet. Geleidelijk, zoals in de Heme-aansteker, of met een tik of klap zoals gebruikelijker is geworden. Het in 1965 gangbaarste materiaal werd aangeduid met PZT omdat het de elementen lood, zirkonium en titaan bevatte. Lood heet in het chemisch plumbum. PZT blijkt nog steeds het meest toegepaste materiaal.

Het PZT van Buitkus ontwikkelde per psi (pound per square inch) druk een spanning van 3 volt. Dat is 0,43 millivolt per N/m2. Als het ruwijzeren Hema-hefboompje, dat de allure heeft van een breekijzer, een erop uitgeoefende kracht met een factor 25 versterkt dan oefent de gebruiker van de aansteker toch makkelijk een druk van 20 x 106 newton/m2 uit op zijn piëzo-elementen. Die ontwikkelen dan een spanning van zo’n 8.500 volt. Volgens de literatuur is dat voldoende om vonkend een paar millimeter te overbruggen.

Zou een bankschroef de vereiste druk kunnen opleveren? Een wat rommelig opgezette AW-test leidde tot niets. Het was een heel gedoe om zo’n element tegelijk tussen twee stroomdraden en twee isolerende plaatjes te klemmen en daar te houden. Veel eenvoudiger was het om met een hamer een klap op het samenstel te geven. Dat had onmiddellijk gevolg: een mooie vonk.

Op dat moment drong het besef door dat de piëzo-elementen van de aansteker dus nog in goede staat waren. Maar waarom, voor de donder, dééd het Hema-ding het dan niet. Het plastic buisje werd weer volgeschoven en teruggebracht in zijn ruwijzeren raam. Alles in de stand ignition, ook in half gemonteerde toestand is de aansteker immers bruikbaar. Maar er gebeurde niets. Er ratelde niets, er vonkte niets en toch leek er niets kapot.

Stom! Niet gekeken of de twee elementen wel in de juiste positie op elkaar aansloten. Buisje open, element omgedraaid, buisje dicht, hefboom terug en waarachtig. De aansteker ratelde en vonkte als nooit tevoren. Tussen de twee loshangende draden sprongen mooie violette vonken over als de draaduiteinden dicht genoeg bij elkaar werden gebracht.

Lezer! Nu volgt een conclusie en een nieuwe vraag. De conclusie is dat een weigerende piëzo-aansteker bijna altijd last heeft van een vervuilde of verbogen kop. De contactpunten zijn na een stoot of val te ver uit elkaar geraakt of er zit soep, jus of ketchup tussen waardoor de stroom niet op gang komt of weglekt zonder te vonken.

Meer dan eigenaardig is dat bij een falende kop ook het ratelen uitblijft. De piëzo-leek denkt dat er geen vonken zijn omdat het niet ratelt, maar het omgekeerde is het geval. Het is met een gedemonteerde aansteker onweerlegbaar aan te tonen.

Waarom ratelt een piëzo-aansteker alleen als hij vonkt? Internet kende het probleem niet en daarom is gebeld met prof.dr. Beatriz Noheda van het Zernike Institute for Advanced Materials in Groningen. Zij kende het fenomeen al evenmin, maar kwam improviserend tot de veronderstelling dat er een wisselwerking is tussen de vonkende ontlading en de piëzo-elementen. De vervorming van de piëzo-elementen wekt een spanning op, maar de elektrische onregelmatigheden die de vonken teweegbrengen doen ook weer de elementen vervormen. Want de werking van een piëzo-element is volledig omkeerbaar. Alle wetenschappers weten dat.