L'effet piézoélectrique est l'effet de polarisation d'un diélectrique sous l'influence de contraintes mécaniques.
Avec l'effet piézoélectrique direct, la déformationd'un échantillon piézoélectrique conduit à l'apparition d'une tension électrique entre les surfaces d'un solide déformable; dans le cas de l'effet piézoélectrique inverse, l'application d'une tension au corps provoque sa déformation.
Que sont les matériaux piézoélectriques?
Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux qui ont la capacité de générer une charge électrique interne à partir d'une contrainte mécanique appliquée.
Certaines substances naturelles présentent un effet piézoélectrique. Ceux-ci inclus:
- OS,
- Cristaux,
- Certaines céramiques,
- ADN,
- Émail,
- Soie,
- Dentine et plus encore.
Matériaux qui démontrentl'effet piézoélectrique présente également l'effet piézoélectrique inverse (également appelé effet piézoélectrique inverse ou inverse). L'effet piézoélectrique inverse est la génération interne de contraintes mécaniques en réponse à un champ électrique appliqué.
Histoire des matériaux piézoélectriques
Les cristaux ont été le premier matériau utilisédans les premières expériences avec la piézoélectricité. Les frères Curie, Pierre et Jacques, ont prouvé pour la première fois l'effet piézoélectrique direct en 1880. Les scientifiques ont élargi leurs connaissances pratiques des structures cristallines et des matériaux pyroélectriques (matériaux qui génèrent une charge électrique en réponse aux changements de température).
Ils ont mesuré les charges de surface des cristaux spécifiques suivants, à savoir:
- Sucre de canne
- Tourmaline,
- Quartz,
- Topaze,
- Sel de Rochelle (sel sodium-potassium de l'acide tartrique),
En conséquence, ce sont le quartz et le sel de Rochelle qui ont démontré les effets piézoélectriques les plus élevés.
Cependant, les frères Curie n'ont pas prédit le contraire.effet piézoélectrique. Il a été dérivé mathématiquement par Gabriel Lippmann en 1881. Curie a ensuite confirmé l'effet et fourni des preuves quantitatives de la réversibilité des déformations électriques, élastiques et mécaniques dans les cristaux piézoélectriques.
En 1910, il existait 20 classes de cristaux naturels,dans lesquels l'effet piézoélectrique est observé ont été entièrement déterminés et publiés dans Lehrbuch Der Kristallphysik - «Textbook of Crystal Physics». Mais il s’agit toujours d’un domaine de niche peu connu et de haute technologie, sans applications technologiques ou commerciales apparentes.
Jusqu'à ce que la guerre éclate.
Guerre mondiale
Première application technologiqueun matériau piézoélectrique a été utilisé comme détecteur de sous-marin à ultrasons. Le détecteur en plastique est composé d'un transducteur (un dispositif qui convertit un type d'énergie en un autre) et d'un hydrophone. Le transducteur est constitué de fins cristaux de quartz collés entre deux plaques d’acier.
L'énorme succès du détecteur à ultrasonsles sous-marins pendant la guerre ont stimulé le développement technologique intensif des dispositifs piézoélectriques. Après la Première Guerre mondiale, la céramique piézoélectrique a été utilisée dans les cartouches de phonographe.
La seconde Guerre mondiale
L'utilisation de matériaux piézoélectriques a considérablement progressé pendant la Seconde Guerre mondiale grâce à des recherches indépendantes menées par le Japon, l'URSS et les États-Unis.
En particulier, des progrès dans la compréhension de la relationentre la structure cristalline et l'activité électromécanique, ainsi que d'autres avancées dans la recherche, ont complètement changé l'approche de la technologie piézoélectrique. Pour la première fois, les ingénieurs ont pu manipuler des matériaux piézoélectriques pour une application de dispositif spécifique, au lieu d'observer les propriétés des matériaux et ensuite de rechercher des utilisations appropriées des propriétés observées.
Ce développement a permis la création de nombreuxapplications liées à la guerre des matériaux piézoélectriques tels que les microphones ultra-sensibles, les dispositifs sonar haute puissance, les bouées sonar (petites bouées avec la capacité d'écouter un hydrophone et la transmission radio pour surveiller le mouvement des navires océaniques) et les systèmes d'allumage piézo pour allumage monocylindre.
Cristaux piézoélectriques - que sont-ils?
Ci-dessous une liste incomplètecristaux piézoélectriques avec quelques brèves descriptions de leur utilisation. Nous discuterons plus tard de certaines applications spécifiques des matériaux piézoélectriques les plus couramment utilisés.
Cristaux naturels:
- Le quartz est un cristal stable utilisé dans les cristaux d'horloge et les cristaux de référence de fréquence pour les émetteurs radio,
- Saccharose (sucre de table)
- Sel de Rochelle - produit beaucoup de tension avec la compression; utilisé dans les premiers microphones à cristal.
- Topaze,
- Tourmaline,
- Berlinite (AlPO₄.) — un minéral phosphaté rare structurellement identique au quartz.
Cristaux technogéniques- L'orthophosphate de gallium (GaPO₄), un analogue du quartz et de la langasite, un analogue du quartz.
Céramiques piézoélectriques:
- Titanate de baryum (BaTiO₃). La première céramique piézoélectrique est découverte.
- Titanate de plomb (PbTiO₃)
- Titanate de zirconate de plomb (PZT)
- Niobate de potassium (KNbO₃)
- Niobate de lithium (LiNbO₃)
- Tantalate de lithium (LiTaO₃)
- Tungstate de sodium (Na₂WO₄)
Céramiques piézoélectriques sans plomb:
Les matériaux suivants ont été développés en réponse aux préoccupations concernant les effets nocifs du plomb sur l'environnement.
- Niobate de sodium et potassium (NaKNb). Ce matériau a des propriétés similaires à celles du PZT.
- Ferrite de bismuth (BiFeO₃)
- Niobate de sodium (NaNbO₃)
Matériaux piézoélectriques biologiques:
- Tendon
- Bois
- Soie
- Émail
- Dentine
- Collagène
Applications des matériaux piézoélectriques
Les matériaux piézoélectriques sont utilisés dans de nombreuses industries, notamment:
- Production
- Équipement médical
- Télécommunications
- Industrie automobile
- Information Technologique (IT)
Alimentations haute tension:
- Briquets électriques.Lorsque vous appuyez sur le bouton du briquet, le bouton fait qu'un petit marteau à ressort frappe le cristal piézoélectrique, créant un courant haute tension qui traverse l'espace pour chauffer et enflammer le gaz.
- Grils ou cuisinières à gaz et brûleurs à gaz. Ils fonctionnent de la même manière que les briquets, mais à plus grande échelle.
- Transducteur piézoélectrique. Il est utilisé comme multiplicateur de tension alternative dans les lampes fluorescentes à cathode froide.
Capteurs piézoélectriques
Les transducteurs ultrasoniques sont utilisés dansimagerie médicale au quotidien. Le transducteur est un dispositif piézoélectrique qui agit à la fois comme un capteur et un actionneur. Les transducteurs à ultrasons contiennent un élément piézoélectrique qui convertit un signal électrique en vibration mécanique (mode de transmission ou composants d'entraînement) et une vibration mécanique en un signal électrique (mode de réception ou composant de capteur).
L'élément piézoélectrique est généralement coupé à la moitié de la longueur d'onde souhaitée du transducteur à ultrasons.
Les autres types de capteurs piézoélectriques comprennent:
- Microphones piézoélectriques.
- Micros piézo pour guitares électro-acoustiques.
- Ondes de sonar. Les ondes sonores sont générées et reçues par un élément piézoélectrique.
- Pads de batterie électroniques. Les éléments détectent l'impact des baguettes des batteurs sur les pads.
- Accéléromyographie médicale.Ceci est utilisé lorsqu'une personne est sous anesthésie et reçoit une injection de relaxants musculaires. L'élément piézoélectrique de l'accéléromyographe détermine la force qui se produit dans le muscle après la stimulation nerveuse.
Actionneurs piézoélectriques
Un des avantages des actionneurs piézoélectriquesest que la haute tension du champ électrique correspond à de minuscules changements micrométriques de la largeur du cristal piézoélectrique. Ces micro-masses rendent les cristaux piézoélectriques utiles comme actionneurs lorsqu'un positionnement précis d'objets minuscules est nécessaire, comme dans les dispositifs suivants:
- Haut-parleurs
- Moteurs piézoélectriques
- Électronique laser
- Imprimantes à jet d'encre (les cristaux contrôlent la libération d'encre de la tête d'impression sur le papier)
- Moteurs diesel
- Volets à rayons X
Matériaux intelligents
Les matériaux intelligents sont une large classe de matériaux,dont les propriétés peuvent être modifiées de manière contrôlée par des influences externes telles que le pH, la température, les produits chimiques, le champ magnétique ou électrique appliqué ou la tension.
Les matériaux piézoélectriques sont conformes à cettedéfinition, car une tension appliquée crée une tension dans le matériau piézoélectrique, et inversement, l'application d'une tension externe produit également de l'électricité dans le matériau.
Matériel intellectuel supplémentairecomprennent les alliages à mémoire de forme, les matériaux halochromiques, les matériaux magnétocaloriques, les polymères thermosensibles, les matériaux photovoltaïques et bien d'autres.
Quel avenir pour les matériaux piézoélectriques?
Alors, quelle est la prochaine étape pour les matériaux piézoélectriques ?avenir? L’idée que les nanofibres piézoélectriques pourraient être utilisées commercialement comme source d’énergie est une idée passionnante. Ils comptent sur la force mécanique pour produire de l’électricité. Ainsi, si vous les placez, par exemple, sur un écran tactile, ils peuvent faire office de chargeur d’appareil. Bien entendu, une partie de la puissance créée est consacrée à l’exécution de l’action sur l’écran tactile. Mais il existe une option pour créer des ressources supplémentaires.
Les deux matériaux les plus populaires utilisés pour les nanogénérateurs sont le polymère.polyfluorure de vinylidène(PVDF)et céramique Titanate de zirconate de plomb (PZT). Le PVDF démontre unepropriétés piézoélectriques que les autres polymères. Cela est dû à sa structure cristalline polaire. Le PZT, quant à lui, possède également une structure cristalline et est capable de générer des tensions beaucoup plus élevées que les autres matériaux de récupération d'énergie piézoélectrique. Il est également mécaniquement plus résistant, notamment sous forme de nanofils.
Le designer industriel Jung-Hoon Kimhas a imaginél'idée géniale d'utiliser la piézoélectricité pour alimenter une voiture. De tels appareils, qui chargent les batteries, reçoivent de l'énergie des vibrations qui se produisent lorsque la voiture est en mouvement. Cette technologie ne produit pas d'émissions et ne dépend pas des combustibles fossiles, ce qui la rend respectueuse de l'environnement.
Un autre designer industriel, Paul Frigu,développé un téléphone mobile qui peut être rechargé tout seul Le modèle Zeri utilise des systèmes thermoélectriques et piézoélectriques. Le premier utilise les changements de température pour générer une charge; le second est les vibrations de l'air. Ces deux caractéristiques rendent votre smartphone 100% écologique.
Le mexicain Alberto Villarreal a créé une paire de chaussures,qui illumine le chemin vers son propriétaire. En utilisant l'énergie cinétique de la marche ou de la course, les polymères électroluminescents peuvent produire de la lumière. Ces effets seront utiles aux coureurs.
La prochaine technologie innovante est dans le secteurcomprimés. L'utilisation de l'entrée d'écran tactile régénérative peut bien être le moyen préféré de charger ces gadgets populaires. En moyenne (statistiquement), une personne moyenne touche l'écran tactile 1 000 fois par jour. C'est une puissance plus que suffisante pour alimenter la tablette.
Enfin, peut-être le plus intéressantgadget piézoélectrique - douche. Conçu par des ingénieurs finlandais, mexicains et allemands, il contient de nombreux minuscules nanofils. Ces nanofils utilisent l'énergie de l'eau qui passe pour produire de l'électricité, qui est utilisée pour chauffer l'eau. L'appareil dispose également d'écrans tactiles qui surveillent la quantité d'eau utilisée et comptent le temps que l'utilisateur passe sous la douche. Il existe également un régulateur qui contrôle la pression de l'eau.
Lire la suite
Les physiciens ont créé un analogue d'un trou noir et confirmé la théorie de Hawking. Où ça mène?
Les scientifiques ont découvert la particule mythique d'Odderon
Le phénomène naturel le plus mystérieux. D'où vient la foudre en boule et en quoi est-ce dangereux?
Le diélectrique est une substance relativement mauvaisecourant électrique conducteur. Les propriétés électriques des diélectriques sont déterminées par leur capacité à se polariser dans un champ électrique externe. Le terme a été introduit dans la science par le physicien anglais M. Faraday. La concentration de porteurs de charge libres dans le diélectrique ne dépasse pas 10⁸ cm⁻³.