Edwin Robledo
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Découvrez comment la piézoélectricité génère une charge électrique par application d’une contrainte mécanique à un matériau piézoélectrique.
Qu’est-ce que la piézoélectricité ? Le concept peut sembler compliqué, mais il est en réalité très simple. Le mot « piézoélectricité » vient du grec « piézein », qui signifie littéralement presser ou appuyer. Au lieu de presser des raisins pour obtenir du vin, nous pressons des cristaux pour obtenir du courant électrique ! La piézoélectricité est présente dans de nombreux appareils électroniques du quotidien, comme les montres à quartz, les haut-parleurs et les micros.
En résumé, la piézoélectricité est le processus qui consiste à utiliser des cristaux pour convertir l’énergie mécanique en énergie électrique ou vice versa.
Les cristaux se caractérisent par une structure organisée et répétée d’atomes reliés entre eux. Chaque unité de répétition périodique est appelée « maille ». Dans la plupart des cristaux, comme le fer, la maille est symétrique. Ces cristaux sont donc inutilisables pour la piézoélectricité.
D’autres cristaux, en revanche, sont des matériaux piézoélectriques. Leur structure n’est pas symétrique, mais ils restent électriquement neutres. Cependant, si une pression mécanique est appliquée à un cristal piézoélectrique, la structure se déforme et les atomes se déplacent, ce qui permet d’obtenir un cristal conducteur d’électricité. Si un courant électrique est appliqué à ce cristal piézoélectrique, ce dernier se dilate et se contracte, ce qui convertit l’énergie électrique en énergie mécanique.
Types de matériaux piézoélectriques
Divers matériaux piézoélectriques peuvent conduire un courant électrique. Certains sont artificiels, d’autres naturels. Le matériau piézoélectrique le plus connu et le plus utilisé dans les dispositifs électroniques est le cristal de quartz. Il existe aussi des matériaux piézoélectriques naturels, comme le sucre de canne, le sel de Seignette, la topaze, la tourmaline et même les os.
Après la Première Guerre mondiale, alors que l’intérêt pour la technologie piézoélectrique n’en était qu’à ses débuts, des matériaux artificiels ont commencé à être développés pour tenter de rivaliser avec les performances du quartz. Les matériaux piézoélectriques fabriqués par l’homme sont les suivants :
- Le PZT, ou titano-zirconate de plomb, peut produire plus de tension que le quartz avec la même pression mécanique.
- Le titanate de baryum est une céramique piézoélectrique découverte pendant la Seconde Guerre mondiale et connue pour sa grande durabilité.
- Le niobate de lithium est un composé chimique d’oxygène, de lithium et de niobium. Ce matériau céramique a le même comportement que le titanate de baryum.
Fonctionnement de la piézoélectricité
Nous disposons de matériaux adaptés aux applications de la piézoélectricité, mais comment le processus fonctionne-t-il ? L’effet piézoélectrique se caractérise essentiellement par son fonctionnement bidirectionnel. Il est possible d’appliquer une énergie mécanique à un matériau piézoélectrique et d’obtenir une énergie électrique, et inversement.
L’application d’une énergie mécanique à un cristal est un effet piézoélectrique direct. En voici le fonctionnement :
- Un cristal piézoélectrique est placé entre deux armatures métalliques. À ce stade, le matériau est électriquement neutre et ne conduit pas de courant électrique.
- Les armatures métalliques exercent ensuite une pression mécanique sur le matériau, ce qui entraîne un déséquilibre entre les charges électriques dans le cristal. Un excès de charges négatives et positives apparaît sur les côtés opposés de la face du cristal.
- Ces charges sont absorbées par les armatures métalliques et peuvent être utilisées pour produire une tension et envoyer du courant électrique à travers un circuit.
C’est aussi simple que cela : l’application d’une pression mécanique entraîne la compression d’un cristal, ce qui permet d’obtenir un courant électrique. L’opération inverse est également possible : il suffit d’appliquer un signal électrique à un matériau pour générer un effet piézoélectrique inverse qui fonctionne comme suit :
- Reprenons le même cas que dans l’exemple précédent : un cristal piézoélectrique se trouve entre deux armatures métalliques. La structure du cristal est électriquement neutre.
- Une énergie électrique est appliquée au cristal, ce qui a pour effet de modifier sa structure.
- Lorsque la structure du cristal se dilate et se contracte, l’énergie électrique reçue est convertie et une énergie mécanique est libérée sous la forme d’une onde sonore.
Les applications de l’effet piézoélectrique sont nombreuses. Par exemple, dans un haut-parleur, une tension peut être appliquée à un matériau de céramique piézoélectrique, ce qui fait vibrer l’air sous forme d’ondes sonores.
Découverte de la piézoélectricité
La piézoélectricité a été découverte en 1880 par deux frères et scientifiques français, Jacques et Pierre Curie. Lors d’expériences sur différents cristaux, ils se sont rendu compte que l’application d’une pression mécanique à certains cristaux, comme le quartz, libérait une charge électrique. Ils ont appelé cela l’effet piézoélectrique.
Au cours des 30 années suivantes, la piézoélectricité s’est limitée en grande partie à des expériences en laboratoire et a fait l’objet d’améliorations. Pendant la Première Guerre mondiale, la piézoélectricité a eu plusieurs applications pratiques, notamment avec les sonars, dont le fonctionnement repose sur la connexion d’une tension à un transmetteur piézoélectrique, ce qui correspond à l’effet piézoélectrique inverse (conversion d’énergie électrique en ondes sonores mécaniques).
Les ondes sonores se propagent dans l’eau jusqu’à rencontrer un obstacle, avant de revenir vers le récepteur source. Ce récepteur utilise l’effet piézoélectrique direct pour convertir les ondes sonores en tension électrique à des fins de traitement des signaux. En mesurant le temps mis par le signal pour faire cet aller-retour, il est possible de calculer facilement la distance qui sépare le récepteur de l’objet sous l’eau.
À la suite du succès des sonars, la piézoélectricité a rapidement suscité l’attention de l’armée. Au cours de la Deuxième Guerre mondiale, la technologie a encore progressé : aux États-Unis, en Russie et au Japon, des chercheurs ont travaillé à la fabrication de nouveaux matériaux piézoélectriques artificiels appelés matériaux ferroélectriques. Ces recherches ont donné jour à deux matériaux artificiels, qui sont utilisés en plus du cristal de quartz naturel, du titanate de baryum et du titano-zirconate de plomb.
La piézoélectricité aujourd’hui
Dans le monde de l’électronique moderne, la piézoélectricité est omniprésente. Lorsque vous demandez à Google l’itinéraire à suivre pour vous rendre à un nouveau restaurant, votre microphone utilise la piézoélectricité. Dans le métro de Tokyo, des structures piézoélectriques enfouies dans le sol sont même alimentées par l’énergie générée par les pas des usagers. La piézoélectricité a également diverses applications électroniques :
Actionneurs
Les actionneurs exploitent la piézoélectricité pour alimenter des appareils tels que des machines à tricoter ou à écrire le braille, des caméras vidéo ou des smartphones. Dans ces systèmes, une armature métallique et un dispositif actionneur enserrent un matériau piézoélectrique. Une tension est ensuite appliquée au matériau piézoélectrique, qui se dilate et se contracte, ce qui entraîne le déplacement de l’actionneur.
Haut-parleurs et vibreurs
Les haut-parleurs exploitent la piézoélectricité pour alimenter des réveils et d’autres petits appareils mécaniques qui nécessitent des capacités audio de haute qualité. Ces systèmes tirent parti de l’effet piézoélectrique inverse pour convertir un signal de tension audio en énergie mécanique sous forme d’ondes sonores.
Pilotes
Les pilotes convertissent les batteries basse tension en batteries haute tension qui peuvent être utilisées pour entraîner un dispositif piézoélectrique. Ce processus d’amplification commence avec un oscillateur qui produit des ondes sinusoïdales réduites. Celles-ci sont ensuite amplifiées à l’aide d’un amplificateur piézoélectrique.
Capteurs
Les capteurs ont diverses applications, comme les microphones, les amplificateurs pour guitares et les dispositifs d’imagerie médicale. Ces appareils utilisent des microphones piézoélectriques pour détecter les variations de pression dans les ondes sonores. Ces variations seront ensuite converties en signal électrique à des fins de traitement.
Électricité
L’une des applications les plus simples de la piézoélectricité est l’allume-cigare électrique. Lorsque vous appuyez sur le bouton de l’allume-cigare, un marteau à ressort est relâché sur un cristal piézoélectrique, ce qui produit un courant électrique qui va traverser un éclateur pour chauffer et allumer le gaz. Ce système d’alimentation piézoélectrique est également utilisé dans les brûleurs à gaz et les cuisinières.
Moteurs
Les cristaux piézoélectriques sont parfaits pour les applications qui nécessitent une précision élevée, comme le mouvement d’un moteur. Dans ce cas, le matériau piézoélectrique reçoit un signal électrique qui est converti en énergie mécanique pour forcer une plaque de céramique à se déplacer.
La piézoélectricité demain
Quel est l’avenir de la piézoélectricité ? Les possibilités sont multiples. Certains inventeurs ont avancé l’idée d’utiliser la piézoélectricité pour la récupération d’énergie. Imaginez que des dispositifs piézoélectriques intégrés dans votre smartphone puissent être activés à partir du simple mouvement de votre corps pour rester chargés.
On pourrait même envisager d’intégrer, sous la chaussée des autoroutes, un système piézoélectrique qui serait actionné par les roues des voitures. Cette énergie serait ensuite utilisée pour allumer les feux de signalisation et d’autres équipements situés à proximité. Le nombre croissant de voitures électriques devrait se traduire par un bilan énergétique net positif.
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