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Piézoélectricité

La piézoélectricité (1880, Pierre et Paul-Jacques Curie) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l'action d'une force mécanique (effet direct) et, réciproquement, de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace...) (effet inverse). Le découvreur de cette propriété est l'abbé René Just Haüy (L'abbé René Just Haüy, né le 28 février 1743 à Saint-Just-en-Chaussée dans l'Oise et mort le 3 juin 1822 à Paris, est le fondateur de la minéralogie moderne (et frère de Valentin qui consacra...) (1743-1822) en 1817, en étudiant le spath d'Islande (L’Islande, (en islandais Ísland, littéralement « terre de glace »), est un État insulaire de l’océan Atlantique Nord, situé entre le Groenland et l’Écosse,...). Etendu aux autres minéraux, il en avait fait un des éléments de détermination de la nature de ces minéraux suivant que l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité...) délivrée était "vitreuse ou résineuse".

Bien que faiblement piézoélectrique, le quartz possède de bonnes caractéristiques mécaniques qui en font un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) utilisé dans les capteurs ainsi qu'en horlogerie.

Cette caractéristique est utilisée pour mesurer des pressions (la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) génère une contrainte mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...) sur un quartz, qui génère une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...), amplifiée par la suite). Une autre utilisation de cet effet est la création d'horloges : le quartz soumis à une charge à une certaine fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence...) vibre à la fréquence propre du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot....), qui est utilisée comme référence de pulsation.

L'effet inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) est utilisé pour commander certains systèmes mécaniques, comme des injecteurs à commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) piézoélectrique en automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de...) (les premiers arrivent chez Siemens en 2004). Lorsque le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture navale, le...) est de l'ordre de quelques nanomètres, il permet des nano-manipulations en nanotechnologies.

La piézoélectricité (La piézoélectricité (1880, Pierre et Paul-Jacques Curie) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l'action d'une force...) est aussi utilisée dans certaines des imprimantes de la marque Epson (EPSON France est une filiale Européenne de Seiko EPSON Corp. Les produits Epson sont conçus pour une large clientèle dans les affaires, les administrations...), rare entreprise à fabriquer des têtes jet d'encre piézoélectriques. Des impulsions électriques font se contracter de fines buses, emplies d'encre, qui expulsent alors de minuscules gouttes d'encre. Enfin, une utilisation tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait courante et anodine de la piézoélectricité est celle qui en est faite dans les allume-gaz : la pression exercée sur le manche de l'appareil produit un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau...) qui se manifeste sous la forme d'étincelles.

Mécanisme piézoélectrique

Dans de tels cristaux au repos, les charges électriques sont séparées, mais symétriquement distribuées. Le cristal reste donc électriquement neutre.

Quand une pression agit, l'asymétrie des charges génère une tension (La tension est une force d'extension.). Par exemple, un quartz de 1 cm³ soumis à une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) de 2 kN peut produire environ 12 500 V. On a là donc un capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une...) de pression.

L'effet piézoélectrique inverse fait que, lorsqu'on applique un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique, une force importante est créée (de l'ordre de la dizaine de MN), causant un déplacement de quelques nanomètres.

La première application fut le sonar Paul Langevin. D'autres applications suivirent (montre à quartz, capteurs, actuateurs).

Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.)

Les matériaux suivants possèdent une propriété piézoélectrique :

  • le quartz ;
  • la topaze ;
  • la tourmaline ;
  • la berlinite (AlPO4) ;
  • l'orthophosphate de gallium (GaPO4) ;
  • les cristaux d'hydroxy-apatite (formant la trame (Le mot trame peut désigner :) des os).
  • l'arséniate de gallium (GaAsO4) ;
  • les céramiques de structure cristalline perovskite ou de structures tungstène-bronze (BaTiO3, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, BiFeO3, NaxWO3, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15, Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 désigné sous le nom de céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre qui ont subi une transformation physico-chimique irréversible...) PZT) ;
  • les polymères à base de fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) de caoutchouc, laine, cheveux, bois et soie ;
  • le polymère polyvinylidine difluoride (PVDF), (-CH2-CF2-)n, a une piézoélectricité dépassant plusieurs fois celle du quartz.
  • les langasites (exemple : le composé Ba3NbFe3Si2O14)

Applications

Les champs d'application sont assez nombreux :

Sources de haute tension

Les applications les plus courantes sont l'allume-gaz et le briquet " électronique ". L'effet piézoélectrique direct du quartz permet de générer des tensions, de l’ordre du kilovolt, supérieures à la tension de claquage (En électronique ou électrotechnique, le claquage est un phénomène qui touche entre autres tous les éléments qui ont un but isolant (condensateurs...), et qui se produit quand la tension entre deux points isolés atteint une valeur suffisante pour...) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des...) 30 kV/cm. Sur des électrodes proches de quelques millimètres, une étincelle de décharge se forme qui est mise a profit pour allumer le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) du briquet ou de la gazinière.

Un transformateur piézoélectrique est un multiplicateur de tension alternative. Contrairement au transformateur classique qui utilise un couplage magnétique, le couplage mis à profit est acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la mécanique vibratoire.). Par effet piézoélectrique inverse, une tension d'excitation permet de génèrer une contrainte alternative dans une barre d'un matériau fortement piézoélectrique (une céramique PZT (Les PZT sont un matériau de la famille de céramiques ferroélectriques qui une fois polarisées possèdent de bonnes caractéristiques piézoélectriques.) par exemple).Cette tension est appliquée à l'aide d'électrodes situées sur une des deux extrémités de la barre. Cette contrainte permet la mise en vibration de la totalité de la barre, la fréquence est choisie pour correspondre à une fréquence de résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre du système. Si le système n'est pas trop...). Par effet piézoélectrique direct, une tension plus forte est récupérée par des électrodes situées sur la deuxième extrémité de la barre. Cette tension peut être 1000 fois plus élevée.

Capteurs

La particularité de l'effet piézoélectrique est la génération de fortes contraintes pour de petits déplacements. Il est donc un candidat idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la divisibilité pour les entiers. Il...) pour les applications basées sur la détection de pression :

  • capteurs de pression, notamment pour l'automobile (pression des pneus) et l'aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de faire évoluer un aéronef dans l'atmosphère terrestre.) (pression dans les tuyère) ;
  • capteurs sonores (microphones et en particulier microphones de contact) ;
  • microbalance piézoélectrique ;
  • batterie électronique (musique);
  • détecteurs de mouvements du corps (jambes, respiration,...) dans les laboratoires de sommeil (Le sommeil est un état naturel récurrent de perte de conscience (mais sans perte de la réception sensitive) du monde extérieur, accompagnée d'une diminution progressive du...).

L'effet piézoélectrique peut aussi être mis à profit dans des applications plus évoluées tels que les capteurs inertiels (accéléromètre à lame vibrante, gyromètre de Coriolis) qui peuvent être utilisés dans une centrale à inertie (Une centrale à inertie ou centrale inertielle est un appareil de navigation de précision comportant des gyroscopes, des capteurs d'accélération et de vitesse angulaire et calculant en temps réel à partir de ces mesures...).

Actionneurs

Les déplacements très faibles produits par les cristaux piézoélectriques en font des micromanipulateurs idéaux mis à profit dans différentes applications :

  • microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre...) à balayage : le microscope à force atomique (Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un dérivé du microscope à effet tunnel (ou Scanning Tunneling Microscope, STM),...) et le microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de physique pour cette invention en 1986. C'est un...) emploient la piézoélectricité pour piloter le balayage de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) sondée ;
  • application opto-acoustique : par micro-positionnement piézoélectrique de miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être protégée, est...), l'ajustement de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) de la cavité de laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...) peut être pilotée pour optimiser la longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...) du faisceau ;
  • moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) piézoélectriques : utilisés dans les systèmes autofocus d'appareils photographiques, dans les mécanismes de vitre électrique de voiture, et en général dans les applications où la taille réduite de ces moteurs répond à des contraintes volumiques ;
  • haut-parleurs ;
  • optique adaptative (L'optique adaptative est une technique qui permet de corriger en temps réel les déformations évolutives et non-prédictives d'un front d'onde grâce à un miroir déformable.) en astronomie : des actionneurs piézoélectriques sont utilisés pour déformer un miroir afin de corriger les effets de la turbulence atmosphérique.

Fréquence d'horloge

Une vibration piézoélectrique stable (peu de dérive avec les changements de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) et au cours du temps), permet de réaliser des références de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) exploitables électroniquement. Les horloges à quartz utilisent la résonance d'un diapason (En musique, le diapason désigne un outil et une caractéristique des instruments à cordes.) en quartz pour générer les impulsions régulières de l'horloge.
Dans les émetteurs et récepteurs radio ou dans les ordinateurs, un quartz règle la fréquence horloge avec un multiplicateur de fréquence pour atteindre les mégahertz ou les gigahertz.

Imprimantes à jet d'encre

Certaines imprimantes à jet d'encre utilisent des éléments piézoélectriques pour produire de fines gouttelettes d'encre qui sont propulsées sur le papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est...). Cette technique, commercialement exploitée depuis le début des années 80, utilise des encres très fluides qui peuvent créer des problèmes quand les supports ont un fort pouvoir d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est...). Depuis quelques années, certains fabricants proposent des imprimantes utilisant des encres solides (type hotmelt), qui ont la particularité de se comporter comme des encres fluides quand elles sont chauffées et de se solidifier rapidement quand elles sont en contact avec le substrat, évitant ainsi une absorption excessive et donnant des couleurs plus saturées.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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