Comment fonctionne l'élément piézo et quel est l'effet piézo ?

L'effet piézoélectrique a été découvert à la fin du 19e siècle par les frères français Curie. À cette époque, il était encore trop tôt pour parler de l'application pratique du phénomène découvert, mais aujourd'hui, les éléments piézoélectriques sont largement utilisés tant dans la technologie que dans la vie quotidienne.

Essence de l'effet piézo

Des physiciens de renom ont découvert que lorsque certains cristaux (cristal de roche, tourmaline, etc.) sont déformés sur leurs facettes, des charges électriques apparaissent. La différence de potentiel était certes faible, mais elle était clairement détectable par les appareils disponibles à l'époque et, en reliant les zones de charges polaires opposées au moyen de conducteurs, on obtenait courant électrique. Le phénomène a été enregistré uniquement en dynamique, au moment de la contraction ou de l'étirement. La déformation statique n'a pas produit l'effet piézo.

Très vite, l'effet inverse a été théorisé et découvert dans la pratique : lorsqu'une tension est appliquée, le cristal se déforme. Il s'est avéré que les deux phénomènes sont liés - si une substance présente un effet piézoélectrique direct, elle présente également un effet inverse, et vice versa.

Le phénomène est observé dans les substances dont le réseau cristallin est anisotrope (qui ont des propriétés physiques différentes selon la direction) avec une asymétrie suffisante, ainsi que dans certaines structures polycristallines.

Dans tout solide, les forces extérieures appliquées produisent des déformations et des contraintes mécaniques, et dans les substances à effet piézoélectrique, la polarisation des charges, la polarisation dépendant de la direction de la force appliquée. Lorsque le sens de l'action est inversé, la direction de la polarisation et la polarité des charges changent. La dépendance de la polarisation par rapport à la contrainte mécanique est linéaire et est décrite par l'expression P=dt, où t est la contrainte mécanique et d est un coefficient appelé module piézoélectrique (piézomodule).

Un phénomène similaire se produit avec l'effet piézo inverse. Lorsque la direction du champ électrique appliqué change, la direction de la déformation change. Ici, la dépendance est également linéaire : r=dE, où E est l'intensité du champ électrique et r est la déformation. Le coefficient d est le même pour l'effet piézoélectrique avant et arrière dans toutes les substances.

Ces équations ne sont en fait que des estimations. Les corrélations réelles sont beaucoup plus complexes et sont déterminées par la direction des forces par rapport aux axes des cristaux.

Substances à effet piézo

L'effet piézo a été découvert pour la première fois dans des cristaux de cristal de roche (quartz). Aujourd'hui, ce matériau est très courant dans la fabrication des éléments piézoélectriques, mais les matériaux naturels ne sont pas les seuls à être utilisés dans la production.

De nombreux éléments piézoélectriques sont basés sur des matériaux ayant la formule ABO₃comme le BaTiO₃, PbTiO₃. Ces matériaux ont une structure polycristalline (constituée de plusieurs cristaux) et doivent être polarisés par un champ électrique externe pour pouvoir présenter un effet piézo.

Des technologies sont disponibles pour produire des films piézoélectriques (fluorure de polyvinylidène, etc.). Pour leur conférer les propriétés nécessaires, ils doivent également être polarisés dans un champ électrique pendant une longue période. L'avantage de ces matériaux est leur très faible épaisseur.

Propriétés et caractéristiques des matériaux à effet piézoélectrique

Comme la polarisation n'a lieu que pendant la déformation élastique, une caractéristique importante des piézomatériaux est leur capacité à changer de forme sous l'action de forces extérieures. La valeur de cette capacité est déterminée par la compliance élastique (ou rigidité élastique).

Les cristaux à effet piézo sont très élastiques : ils reprennent leur forme initiale lorsque la force (ou la contrainte externe) est supprimée.

Les cristaux piézoélectriques ont également une fréquence de résonance mécanique intrinsèque. Si l'on force le cristal à vibrer à cette fréquence, l'amplitude est particulièrement importante.

 

Étant donné que non seulement des cristaux entiers présentent l'effet piézoélectrique, mais aussi des plaques piézoélectriques découpées dans certaines conditions, il est possible de produire des pièces piézoélectriques qui résonnent à différentes fréquences - en fonction des dimensions géométriques et de la direction de la découpe.

Les propriétés vibratoires des matériaux piézoélectriques sont également caractérisées par leur facteur de qualité mécanique. Elle indique de combien de fois l'amplitude de la vibration augmente à la fréquence de résonance pour une force appliquée égale.

Les propriétés piézoélectriques dépendent clairement de la température, ce qui doit être pris en compte lors de l'utilisation des cristaux. Cette dépendance est caractérisée par des coefficients :

• le coefficient de température de la fréquence de résonance indique dans quelle mesure la résonance disparaît lorsque le cristal est chauffé/refroidi ;
• Le coefficient de dilatation thermique indique dans quelle mesure les dimensions linéaires de la plaque piézoélectrique changent avec la température.

A une certaine température, le piézocristal perd ses propriétés. Cette limite est appelée la température de Curie. Cette limite est individuelle pour chaque matériau. Pour le quartz, par exemple, elle est de +573 °C.

Application pratique de l'effet piézo

L'application la plus connue des cellules piézo est celle d'élément d'allumage. L'effet piézo est utilisé dans les briquets de poche ou les allumeurs de cuisine pour les cuisinières à gaz. Lorsque le cristal est pressé, une différence de potentiel est créée et une étincelle apparaît dans l'entrefer.

Cela n'épuise pas le champ d'application des cellules piézoélectriques. Les cristaux ayant le même effet peuvent être utilisés comme jauges de contrainte, mais cette application est limitée par la propriété de l'effet piézo d'être dynamique - si le changement s'est arrêté, le signal n'est plus généré.

Les piézocristaux peuvent être utilisés comme un microphone - des signaux électriques sont générés lorsque des ondes acoustiques sont appliquées. L'effet piézo inverse permet également (parfois simultanément) d'utiliser de tels éléments comme émetteurs de sons. Lorsqu'un signal électrique est appliqué au cristal, l'élément piézoélectrique commence à générer des ondes acoustiques.

Ces émetteurs sont largement utilisés pour générer des ondes ultrasonores, notamment dans le domaine de la technologie médicale. Sur à l'adresse Les propriétés de résonance de la plaque peuvent également être utilisées. Il peut être utilisé comme un filtre acoustique, n'émettant que des ondes de sa propre fréquence. Une autre option consiste à utiliser un élément piézoélectrique dans un générateur de son (sirène, détecteur, etc.) comme élément conservant la fréquence et émettant le son. Dans ce cas, le son sera toujours généré à la fréquence de résonance, et un volume maximal peut être obtenu avec un faible apport d'énergie.

Les propriétés de résonance sont utilisées pour stabiliser les fréquences des oscillateurs fonctionnant dans la gamme des fréquences radio. Les plaques de quartz agissent comme des circuits oscillants très stables et de haute qualité dans les circuits de maintien de la fréquence.

Jusqu'à présent, il existe des projets fantastiques pour convertir l'énergie de la déformation élastique en énergie électrique à l'échelle industrielle. Vous pouvez utiliser la déformation des chaussées par le poids des piétons ou des voitures, par exemple, pour alléger des tronçons d'autoroutes. L'énergie de déformation des ailes d'un avion pourrait être utilisée pour alimenter le réseau de bord de l'avion. Cette utilisation est limitée par l'efficacité insuffisante des cellules piézoélectriques, mais des installations prototypes ont déjà été construites et se sont révélées prometteuses pour de nouvelles améliorations.

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