L’os, le bois et le quartz sont tous des matériaux piézoélectriques. Mais qu’est-ce que la piézoélectricité et comment ça fonctionne? Nous expliquons ici d’où vient cette propriété remarquable.
Couplage entre les propriétés électriques et mécaniques
la Piézoélectricité est un phénomène qui signifie qu’il existe un couplage entre l’électrique et l’état mécanique du matériau. Lorsqu’un morceau de matériau piézoélectrique est déformé mécaniquement, par exemple comprimé, un courant circule et charge ses faces., et vice versa, il sera déformé lorsqu’il est exercé sur un champ électrique.
Le phénomène a été découvert en 1880 par Paul-Jacques Curie, et son frère cadet, Pierre, époux de la célèbre Marie Curie. En plus des matériaux déjà mentionnés, il existe de nombreux autres matériaux présentant des propriétés piézoélectriques tels que le saccharose, la soie, le sel de Rochelle, le PVDF et de nombreuses céramiques. Mais pourquoi tous les matériaux ne présentent – ils pas cette propriété? La raison en est que pour que la piézoélectricité apparaisse, le matériau doit être cristallin mais ne pas avoir de Centre de symétrie. Pourquoi, nous allons le voir bientôt.,
l’effet piézoélectrique provient du réarrangement des charges nettes
la manifestation du courant induit par la pression a son origine dans le réarrangement des charges à l’intérieur du matériau. Dans l’état d’équilibre, lorsque le matériau est déchargé, la disposition des charges à l’intérieur du réseau de matériau est telle que la cellule unitaire n’est pas chargée, Fig 1 A. Cependant, lorsque le matériau est déformé mécaniquement, il y aura une redistribution des charges à l’intérieur de la cellule unitaire., Cette redistribution va induire des charges nettes sur les faces de la cellule unité et donner lieu à un moment dipolaire net, Fig 1B et 1c.
Figure 1. Une illustration schématique du fonctionnement de la piézoélectricité. A) en équilibre, les charges de la cellule unitaire sont réparties de telle sorte qu’il n’y ait pas de moment dipolaire net. B) lorsqu’il est comprimé, un moment dipolaire net apparaît dans la direction verticale. C) lorsqu’il est étiré, un moment dipolaire net apparaît dans la direction horizontale.,
la somme de la contribution de charge nette de toutes les cellules de l’unité sera une polarisation électrique de la pièce de matériau. Cela signifie que la force mécanique appliquée a induit une tension sur le matériau. Pour que la polarisation se produise, cependant, il ne doit pas y avoir de Centre de symétrie, Fig 2. Comme déjà mentionné, cette exigence n’est remplie que par certains matériaux.
la Figure 2. Une illustration schématique de la distribution de charge dans la cellule unitaire d’un matériau possédant un centre de symétrie., Tant dans l’état d’équilibre (A), que lorsqu’il est déformé mécaniquement (B, C), la distribution de charge est telle qu’un moment dipolaire net ne se pose jamais.
le phénomène inverse, c’est-à-dire où le matériau change de forme lorsqu’une tension est appliquée sur ses faces, est appelé effet piézoélectrique inverse, et cela n’a été découvert qu’un an plus tard, en 1881.
la piézoélectricité est largement utilisée et de nouvelles applications attendent au coin de la rue
Depuis que l’effet piézoélectrique a été découvert il y a plus d’un siècle, il s’est répandu dans diverses applications et est maintenant largement utilisé., Les domaines incluent le contrôle de fréquence, par exemple dans les horloges, les haut-parleurs pour générer du son et les microbalances, telles que QCM et QCM-D, pour surveiller les changements de masse. Mais il ne s’arrête pas là. Maintenant, la piézoélectricité est un contributeur candidat à l’approvisionnement énergétique durable futur. La lumière, le vent et le thermique ont longtemps été des sources évidentes, et grâce à l’effet piézoélectrique, les vibrations ont maintenant été ajoutées à la liste. Une façon d’utiliser des sources vibratoires pour la production d’énergie est, par exemple, de récolter l’énergie cinétique humaine via les carreaux de rue ou de chaussée. c’est-à-dire convertir l’énergie des pas en électricité., L’énergie générée de cette manière pourrait être utilisée pour faire fonctionner, par exemple, des lampadaires ou d’autres équipements basse tension dans les villes.
remarques finales
la piézoélectricité est une propriété de certains matériaux qui induit un courant électrique lorsqu’il est soumis à des contraintes mécaniques. Il est utilisé, par exemple, dans les applications de contrôle de fréquence et de génération actuelle.
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