Comment fonctionne le piézoélectrique :un guide ultime complet

La plupart des appareils modernes utilisent la piézoélectricité comme composant de leurs cartes de circuits imprimés (PCB). Par exemple, votre montre à quartz a besoin de piézoélectricité pour réguler l'heure. De plus, les microphones et même votre bien-aimé Siri en ont également besoin pour la reconnaissance vocale. Mais comment fonctionne le piézoélectrique ? Tous les matériaux piézoélectriques ont des caractéristiques uniques. Et ces caractéristiques leur permettent de s'intégrer de manière transparente à la plupart des technologies modernes pour fournir un mélange parfait. Dans cet article, nous vous donnerons un guide complet sur le fonctionnement de la piézoélectricité pour un usage quotidien.

Comment fonctionne le piézoélectrique

Illustration de la mécanique piézoélectrique.

Source : https://www.audiowell.com/technology/187.html

Piézoélectrique est un terme inventé par les frères de deux scientifiques français, Jacques et Pierre Curie. Après avoir découvert que l'application d'une pression sur deux quartz (ou certains cristaux) crée une charge électrique.

Piezo vient du mot grec 'pièce en ,' qui signifie presser ou appuyer. Par conséquent, la piézoélectricité signifie "presser l'électricité". À savoir, presser deux cristaux pour produire de l'énergie électrique. Le cristal piézo aide à transformer l'énergie mécanique (sonore) en signaux électriques que l'appareil électrique peut interpréter.

Cette technologie est actuellement en développement rapide. Et de nombreuses entreprises utilisent actuellement ce phénomène comme base pour une technologie plus avancée. Par exemple, le nouveau transducteur de tonalité audio en céramique est une idée originale de la piézoélectricité.

Qu'est-ce que l'effet piézoélectrique ?

Illustration de l'effet piézoélectrique.

L'effet piézoélectrique est la capacité de presser deux matériaux spécifiques ensemble pour créer un courant électrique. L'application d'une contrainte mécanique à ces matériaux permet de créer une alternance de charge négative et positive sur le matériau, créant un champ électrique actif.

Cependant, cette caractéristique unique de la piézoélectricité est également réversible. Les matériaux qui présentent un effet piézoélectrique direct peuvent également présenter un effet piézoélectrique inverse.

L'effet piézoélectrique inverse est utile dans de nombreux domaines impliquant la production, la détection et la distribution du son. En outre, cela inclut les microbalances, la mécanique des sources d'allumage, la génération de fréquence électronique, la production de hautes tensions, etc.

Effet piézoélectrique direct

Illustration du piézoélectrique et du piézoélectrique inverse.

Source : https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/leadfree-piezoceramics-status-and-perspectives/533F8B4F91B57A04C2E70D372D4627E5

Comme indiqué précédemment, presser un cristal piézoélectrique produit de la piézoélectricité.

Dans l'illustration, lorsque vous placez un matériau piézoélectrique non conducteur entre deux plaques métalliques et que vous les pressez ou les comprimez ensemble, elles produisent un courant électrique. Les plaques métalliques agissent comme émetteur de ce courant électrique.

Le courant électrique produit crée un courant - connu sous le nom d'effet piézoélectrique.

Effet piézoélectrique inverse

Vous créez un piézoélectrique inverse lorsque vous appliquez une tension électrique continue pour faire dilater ou rétrécir un matériau piézoélectrique. Ainsi, cela crée un effet piézoélectrique inverse - convertissant l'énergie électrique en énergie mécanique.

L'utilisation de cette méthode permet de fabriquer des dispositifs qui produisent un son acoustique, par exemple des haut-parleurs piézoélectriques et des microphones piézoélectriques. De tels dispositifs piézoélectriques sont très fonctionnels car ils sont fins et peuvent s'intégrer dans divers petits appareils. De même, le même principe s'applique aux appareils tels que les transducteurs sonar et les ultrasons médicaux.

https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM

Matériaux piézoélectriques

Divers matériaux, naturels et artificiels, présentent des effets piézoélectriques. Lorsque vous appliquez une pression (contrainte mécanique) et que vous vous déformez en appliquant une haute tension, ils produisent de l'électricité.

En règle générale, ces matériaux ne sont pas conducteurs. Et c'est la seule façon dont l'effet piézoélectrique peut se produire.

Les matériaux piézoélectriques se répartissent en deux grandes catégories :

• Cristal piézoélectrique
• Céramique piézoélectrique

Des exemples de matériaux piézoélectriques naturels sont la berlinite, le quartz, le sel de Rochelle, la tourmaline, etc. Des exemples de matériaux piézoélectriques artificiels comprennent le titanate de zirconate de plomb (PZT), le titanate de baryum, le sucre de canne et le niobate de lithium.

Par rapport aux matériaux biologiques, les matériaux manufacturés sont plus efficaces et ont une meilleure utilisation des matériaux. Par exemple, le titanate de zirconate de plomb produit une tension plus élevée que le quartz lorsque vous exercez la même pression, et cela est vrai lorsque vous appliquez un courant haute tension aux deux matériaux.

Matériaux piézoélectriques

Applications

Brûleur générateur d'étincelles piézoélectrique sur un brûleur de cuisinière à gaz

Aujourd'hui, les transducteurs piézoélectriques et les applications de capteurs sont partout. Il y a probablement du matériel piézoélectrique dans chaque appareil sur le marché aujourd'hui.

Prenez ce métro à Tokyo, par exemple. Il utilise le principe comme source d'énergie alternative.

Voici quelques applications quotidiennes typiques du principe piézoélectrique.

Capteur piézo

Les capteurs piézoélectriques convertissent une dimension physique en une force qui agit sur deux faces opposées de l'élément sensoriel. En termes simples, les capteurs détectent les variations de pression provoquées par le son.

Ils ne nécessitent aucune source de tension externe et fonctionnent pour générer des résultats à partir de la pression appliquée.

Les capteurs piézoélectriques sont sensibles, ce qui les rend parfaits pour les dispositifs sonores à haute fréquence comme les transducteurs à ultrasons pour l'imagerie médicale et la surveillance des machines industrielles.

Les capteurs piézoélectriques ont les caractéristiques principales suivantes :

• Premièrement, haute résistance et taille fine
• Deuxièmement, haute résistance mécanique
• Ensuite, stabilité élevée et conformité élastique
• De plus, large plage de fréquences
• Aussi, résistance aux chocs
• Enfin, une sortie haute tension

Haute tension et sources d'alimentation

Allume-cigare utilisant le principe piézoélectrique

C'est l'application pratique la plus populaire du principe piézoélectrique. Les meilleurs exemples sont les grils à gaz et les briquets électriques. De plus, il vous suffit d'appuyer sur un bouton et un marteau à ressort frappe un cristal piézoélectrique. Ce qui produit alors une étincelle suffisante qui provoque une charge électrique pour enflammer le gaz.

Moteurs

Le principal avantage de l'effet piézoélectrique est le petit changement de correspondance avec les applications à haute tension, ce qui le rend parfait pour une utilisation avec une extrême précision de positionnement.

C'est pourquoi les moteurs piézoélectriques présentent de nombreux avantages par rapport aux moteurs électromagnétiques classiques. De plus, ils fournissent une force et un couple plus importants bien qu'ils soient généralement plus petits et plus compacts.

De plus, les champs électromagnétiques n'affectent pas les performances des dispositifs piézoélectriques, ce qui les rend meilleurs pour un démarrage et un arrêt rapides.

Actionneurs piézoélectriques

Illustration de l'actionneur piézoélectrique.

Source : https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866

Les actionneurs utilisent l'effet piézoélectrique inverse pour alimenter des appareils tels que des machines à braille et à tricoter. À l'intérieur du système d'actionneur, un matériau piézoélectrique se trouve entre une plaque métallique et un dispositif d'actionneur.

L'application d'un courant haute tension dans ce système provoque l'expansion et la contraction du matériau piézoélectrique à intervalles réguliers, ce qui entraîne un mouvement rythmique de l'actionneur.

Ces actionneurs sont avantageux, en particulier dans les appareils qui nécessitent un positionnement précis, comme les miroirs des satellites. De plus, en raison de leur conception simple et du nombre minimal de pièces mobiles, ils sont parfaits pour les appareils miniaturisés tels que les caméras vidéo et les téléphones portables.

Avantages et inconvénients de la piézoélectricité

Malgré tous les éloges, la piézoélectricité a aussi quelques limites. Voici quelques-uns des principaux avantages et inconvénients de la piézoélectricité.

Avantages	Inconvénients
Capacité à fonctionner à n'importe quelle température	Leur sensibilité aux vibrations les rend sujets aux vibrations aléatoires.
Aucun effet du champ électromagnétique.	Parfois, la rigidité du matériau piézoélectrique ne correspond pas au matériau d'application, par exemple, la chaussée.
Avoir une faible empreinte carbone, ce qui en fait la meilleure alternative aux combustibles fossiles
Matériaux hautement réutilisables
Leur minuscule réponse aux hautes fréquences en fait les meilleurs récupérateurs d'énergie.

Générateurs piézoélectriques

Un générateur piézoélectrique (également connu sous le nom de PEG) utilise des capteurs piézoélectriques pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique sans aucune rotation physique - que l'on trouve généralement dans les générateurs traditionnels. En tant que tels, les générateurs piézoélectriques sont de petites tailles compactes et très maniables.

Dans cette génération, les générateurs piézoélectriques sont une percée bienvenue dans la production d'électricité. Bien qu'ils ne soient pas encore atteints, ils possèdent le pouvoir de concrétiser le rêve d'appareils électroniques sans fil autonomes.

Le chemin sera peut-être encore long jusqu'à ce que nous puissions concrétiser ce rêve; cependant, les générateurs piézoélectriques se sont avérés des sources d'alimentation fiables, stables et très durables. Les experts pensent qu'il ne faudra pas longtemps avant que les générateurs piézoélectriques puissent remplacer une grande partie de nos besoins en énergie.

Générateurs piézoélectriques :avantages et limites

Avantages

• Tout d'abord, la taille polyvalente. En raison de leurs caractéristiques uniques, les éléments piézo sont disponibles dans des tailles et des conceptions très flexibles. Ils peuvent être aussi plats que vous en avez besoin pour s'adapter à n'importe quel appareil miniature.

Deuxièmement, les éléments piézo-électriques récoltent de l'énergie qui, autrement, serait gaspillée. Par exemple, un moteur piézo attaché à une passerelle recueille les vibrations du jeu de jambes et les convertit en énergie électrique. Cela fonctionne comme une source d'énergie alternative et un moyen de réduire le bruit de l'environnement.

Limites

• Ils ont une puissance de sortie limitée. Un générateur piézoélectrique a besoin de vibrations constantes pour générer une puissance constante. Par conséquent, la puissance générée est directement proportionnelle à la contrainte appliquée. Vous pouvez augmenter la sortie en empilant plusieurs éléments piézoélectriques. Cependant, après un certain point, les rendements diminuent car il faudra plus de pression pour faire fonctionner le système.

Conclusion

Alors, comment fonctionne le piézoélectrique ? En résumé, les matériaux piézoélectriques peuvent facilement convertir l'énergie mécanique en énergie électrique. Les caractéristiques uniques de ces matériaux les rendent très utiles dans de nombreux domaines technologiques. Surtout les zones qui nécessitent un positionnement précis.

Les applications de la technologie piézoélectrique sont illimitées et il existe de nombreuses possibilités à explorer. Les fabricants de technologies tels que WellPCB sont en première ligne pour intégrer cette technologie dans l'utilisation quotidienne.