L'effet piézoélectrique a été découvert par les scientifiques français les frères Curie à la fin du 19ème siècle. À cette époque, il était trop tôt pour parler de l'application pratique du phénomène découvert, mais à l'heure actuelle, les éléments piézoélectriques sont largement utilisés à la fois dans la technologie et dans la vie quotidienne.
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L'essence de l'effet piézoélectrique
Des physiciens célèbres ont établi que lorsque certains cristaux (cristal de roche, tourmaline, etc.) sont déformés, des charges électriques apparaissent sur leurs faces. Dans le même temps, la différence de potentiel était faible, mais elle était fixée en toute confiance par les dispositifs qui existaient à l'époque, et en connectant des sections avec des charges polaires opposées à l'aide de conducteurs, il était possible d'obtenir électricité. Le phénomène n'était figé qu'en dynamique, au moment de la compression ou de l'étirement. La déformation en mode statique n'a pas provoqué d'effet piézoélectrique.
Bientôt, l'effet inverse était théoriquement justifié et découvert dans la pratique - lorsqu'une tension était appliquée, le cristal se déformait.Il s'est avéré que les deux phénomènes sont interconnectés - si une substance présente un effet piézoélectrique direct, alors le contraire lui est également inhérent, et vice versa.
Le phénomène est observé dans des substances à réseau cristallin de type anisotrope (dont les propriétés physiques sont différentes selon la direction) avec une asymétrie suffisante, ainsi que certaines structures polycristallines.
Dans tout corps solide, les forces externes appliquées provoquent des déformations et des contraintes mécaniques, et dans les substances à effet piézoélectrique, elles provoquent également une polarisation des charges, et la polarisation dépend de la direction de la force appliquée. Lors du changement de direction d'exposition, la direction de polarisation et la polarité des charges changent. La dépendance de la polarisation 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 (module piézoélectrique).
Un phénomène similaire se produit avec l'effet piézoélectrique 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 les effets piézoélectriques directs et inverses pour toutes les substances.
En fait, les équations ci-dessus ne sont que des estimations. Les dépendances réelles sont beaucoup plus compliquées et sont également déterminées par la direction des forces par rapport aux axes du cristal.
Substances à effet piézoélectrique
Pour la première fois, l'effet piézoélectrique a été trouvé dans des cristaux de roche (quartz). À ce jour, ce matériau est très courant dans la production d'éléments piézoélectriques, mais pas seulement des matériaux naturels sont utilisés dans la production.
De nombreux piézoélectriques sont fabriqués à partir de substances de formule ABO.3, par exemple BaTiO3, РbТiO3. Ces matériaux ont une structure polycristalline (composée de nombreux cristaux), et pour leur donner la capacité de présenter un effet piézoélectrique, ils doivent être soumis à une polarisation à l'aide d'un champ électrique externe.
Il existe des technologies permettant d'obtenir des films piézoélectriques (polyfluorure de vinylidène, etc.). Pour leur conférer les propriétés nécessaires, il faut aussi les polariser longtemps dans un champ électrique. L'avantage de tels matériaux est une très faible épaisseur.
Propriétés et caractéristiques des substances à effet piézoélectrique
Comme la polarisation ne se produit que lors de la déformation élastique, une caractéristique importante d'un matériau piézo est sa capacité à changer de forme sous l'action de forces extérieures. La valeur de cette capacité est déterminée par la souplesse élastique (ou rigidité élastique).
Les cristaux à effet piézoélectrique sont très élastiques - lorsque la force (ou la contrainte externe) est supprimée, ils retrouvent leur forme d'origine.
Les cristaux piézo ont également leur propre fréquence de résonance mécanique. Si vous faites vibrer le cristal à cette fréquence, l'amplitude sera particulièrement grande.
Étant donné que l'effet piézoélectrique se manifeste non seulement par des cristaux entiers, mais également par des plaques de ceux-ci découpés dans certaines conditions, il est possible d'obtenir des morceaux de substances piézoélectriques résonnant à différentes fréquences, en fonction des dimensions géométriques et de la direction de la coupe.
Aussi, les propriétés vibrationnelles des matériaux piézoélectriques sont caractérisées par un facteur de qualité mécanique. Il montre combien de fois l'amplitude des oscillations à la fréquence de résonance augmente avec une force appliquée égale.
Il existe une nette dépendance des propriétés d'un piézoélectrique à la température, qui doit être prise en compte lors de l'utilisation de cristaux. Cette dépendance est caractérisée par les coefficients :
- le coefficient de température de la fréquence de résonance montre à quel point la résonance disparaît lorsque le cristal est chauffé/refroidi ;
- le coefficient de dilatation thermique détermine 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 température de Curie. Cette limite est individuelle pour chaque matériau. Par exemple, pour le quartz, elle est de +573 °C.
Utilisation pratique de l'effet piézoélectrique
L'application la plus connue des éléments piézoélectriques est comme élément d'allumage. L'effet piézoélectrique est utilisé dans les briquets de poche ou les allumeurs de cuisine pour cuisinières à gaz. Lorsque le cristal est pressé, une différence de potentiel se produit et une étincelle apparaît dans l'entrefer.
Ce domaine d'application des éléments piézoélectriques n'est pas épuisé. Des cristaux avec un effet similaire peuvent être utilisés comme jauges de contrainte, mais ce domaine d'utilisation est limité par la propriété de l'effet piézoélectrique à n'apparaître qu'en dynamique - si les changements s'arrêtent, le signal cesse de se générer.
Les cristaux piézoélectriques peuvent être utilisés comme microphone - lorsqu'ils sont exposés à des ondes acoustiques, des signaux électriques se forment. L'effet piézoélectrique inverse permet également (parfois simultanément) l'utilisation d'éléments tels que des émetteurs de son. Lorsqu'un signal électrique est appliqué au cristal, l'élément piézoélectrique commence à générer des ondes acoustiques.
De tels émetteurs sont largement utilisés pour créer des ondes ultrasonores, en particulier dans la technologie médicale. À cette les propriétés de résonance de la plaque peuvent également être utilisées.Il peut être utilisé comme filtre acoustique qui sélectionne uniquement les ondes de fréquence naturelle. Une autre option consiste à utiliser un élément piézoélectrique dans un générateur de son (sirène, détecteur, etc.) simultanément comme élément de réglage de fréquence et d'émission de son. Dans ce cas, le son sera toujours généré à la fréquence de résonance, et le volume maximum peut être obtenu avec une faible consommation d'énergie.
Les propriétés de résonance sont utilisées pour stabiliser les fréquences des générateurs fonctionnant dans la gamme des radiofréquences. Les plaques de quartz jouent le rôle de circuits oscillants hautement stables et de haute qualité dans les circuits de réglage de fréquence.
Il existe encore des projets fantastiques pour convertir l'énergie de déformation élastique en énergie électrique à l'échelle industrielle. Vous pouvez utiliser la déformation de la chaussée sous l'influence de la gravité des piétons ou des voitures, par exemple, pour éclairer des sections de voies. Vous pouvez utiliser l'énergie de déformation des ailes de l'avion pour fournir le réseau de l'avion. Une telle utilisation est contrainte par l'efficacité insuffisante des éléments piézoélectriques, mais des usines pilotes ont déjà été créées et elles ont montré la promesse d'améliorations supplémentaires.
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