La science derrière la piézoélectricité : comment ça marche et pourquoi c'est important

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

Comment fonctionne la piézoélectricité

Illustration de la mécanique piézoélectrique.

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

La piézoélectricité était un terme inventé par deux frères scientifiques français, Jacques et Pierre Curie. Après avoir découvert qu'appliquer une pression sur deux quartz (ou certains cristaux) crée une charge électrique.

Pièzo vient du mot grec « piezein », qui signifie presser ou serrer. Par conséquent, la piézoélectricité signifie « électricité par pression ». À savoir, presser deux cristaux pour faire de l'énergie électrique. Le cristal piézo aide à transformer l'énergie mécanique (énergie sonore) en signaux électriques que le dispositif électrique peut interpréter.

Cette technologie est actuellement en développement rapide. Et beaucoup d'entreprises utilisent actuellement ce phénomène comme base pour une technologie plus avancée. Par exemple, le nouveau transducteur audio céramique à tonalité est l'enfant chéri 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 faire un courant électrique. Appliquer une contrainte mécanique à ces matériaux aide à créer une charge négative et positive alternative sur le matériau, créant un champ électrique actif.

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

L'effet piézoélectrique inverse est utile dans de nombreux domaines impliquant la production, la détection et la distribution du son. Aussi, il inclut les microbalances, mécanismes d'allumage, génération de fréquence électronique, production de hautes tensions, etc.

Effet piézoélectrique direct

Illustration de la piézoélectricité et piézoélectricité inverse.

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

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

Dans l'illustration, quand vous placez un matériau piézoélectrique non-conducteur entre deux plaques métalliques et les pressez ou compressez ensemble, ils produisent un courant électrique. Les plaques métalliques agissent comme transmetteurs de ce courant électrique.

Le courant électrique produit crée un courant — connu comme l'effet piézoélectrique.

Effet piézoélectrique inverse

Vous créez un effet piézoélectrique inverse quand vous appliquez une tension électrique directe pour faire dilater ou contracter un matériau piézoélectrique. Ainsi, cela crée un effet piézoélectrique inverse — convertissant l'énergie électrique en énergie mécanique.

L'utilisation de cette méthode aide à fabriquer des dispositifs qui produisent du son acoustique, ex. haut-parleurs piézoélectriques et microphones piézoélectriques. De tels dispositifs piézoélectriques sont très fonctionnels car ils sont fins et peuvent s'adapter à divers petits appareils. De même, le même principe s'applique à des dispositifs tels que les transducteurs sonar et les ultrasons médicaux.

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

Matériaux piézoélectriques

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

Comme règle, ces matériaux sont non-conducteurs. Et c'est la seule façon dont l'effet piézoélectrique peut se produire.

Les matériaux piézoélectriques viennent en deux catégories principales :

• Cristal piézoélectrique
• Céramique piézoélectrique

Exemples de matériaux piézoélectriques naturels : Berlinite, quartz, sel de Rochelle, tourmaline, etc. Exemples de matériaux piézoélectriques artificiels : titanate de zirconate de plomb (PZT), titanate de baryum, sucre de canne, et niobate de lithium.

Comparés aux matériaux biologiques, les matériaux manufacturés sont plus efficaces et ont une meilleure utilisation du matériau. Par exemple, le titanate de zirconate de plomb produit une tension plus haute que le quartz quand vous exercez la même pression, et c'est vrai quand vous appliquez un courant haute tension aux deux matériaux.

Matériaux piézoélectriques

Applications

Générateur d'étincelle piézoélectrique sur brûleur de cuisinière à gaz

Aujourd'hui, les applications de transducteurs et capteurs piézoélectriques sont partout. Il y a probablement du matériau piézoélectrique dans chaque dispositif 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 apportées par le son.

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

Les capteurs piézoélectriques sont sensibles, les rendant parfaits pour les dispositifs sonores haute fréquence comme les transducteurs ultrasoniques pour l'imagerie médicale et la surveillance de machines industrielles.

Les capteurs piézoélectriques ont les caractéristiques principales suivantes :

• Premièrement, haute résistance et mince en taille
• Deuxièmement, haute résistance mécanique
• Ensuite, haute stabilité et conformité élastique
• De plus, large gamme de fréquences
• Aussi, résistance aux chocs
• Finalement, sortie haute tension

Haute tension et sources d'énergie

Briquet à cigarette 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 à cigarette. De plus, tout ce que vous faites est d'appuyer sur un bouton, et un marteau à ressort frappe un cristal piézoélectrique. Ce qui produit alors une étincelle suffisante qui cause une charge électrique pour enflammer le gaz.

Moteurs

L'avantage principal de l'effet piézoélectrique est le minuscule changement en correspondance avec les applications haute tension — le rendant parfait pour l'utilisation avec une précision extrême en positionnement.

C'est pourquoi les moteurs piézoélectriques ont beaucoup d'avantages comparés aux moteurs électromagnétiques conventionnels. De plus, ils fournissent une force et un couple plus grands malgré être généralement plus petits et plus compacts.

En plus, les champs électromagnétiques n'affectent pas la performance des dispositifs piézoélectriques, ce qui les rend meilleurs pour les démarrages et arrêts rapides.

Actionneurs piézoélectriques

Illustration d'actionneur piézoélectrique.

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

Les actionneurs utilisent l'effet piézoélectrique inverse pour alimenter des dispositifs comme les 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.

Appliquer un courant haute tension dans ce système cause l'expansion et la contraction du matériau piézoélectrique à intervalles, causant le mouvement rythmique de l'actionneur.

Ces actionneurs sont bénéfiques, surtout dans les dispositifs qui requièrent un positionnement précis, comme les miroirs dans les satellites. Aussi, en raison de leur design simple et de leurs pièces mobiles minimales, ils sont excellents pour les dispositifs miniaturisés comme les caméras vidéo et les téléphones mobiles.

Avantages et inconvénients de la piézoélectricité

Malgré toutes les louanges, la piézoélectricité a aussi certaines limitations. Voici quelques-uns des principaux avantages et inconvénients de la piézoélectricité.

Avantages	Inconvénients
Capacité de fonctionner à toute température	Leur sensibilité aux vibrations les rend sujettes aux vibrations aléatoires.
Aucun effet du champ électromagnétique.	Parfois la rigidité du matériau piézoélectrique ne correspond pas au matériau d'application, ex. pavement.
Ont une faible empreinte carbone les rendant la meilleure alternative au carburant fossile
Matériaux hautement réutilisables
Leur réponse minuscule à haute fréquence les rend les meilleurs récolteurs d'énergie.

Générateurs piézoélectriques

Un générateur piézoélectrique (aussi connu comme PEGs) utilise des capteurs piézo pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique sans aucune rotation physique — typiquement trouvée dans les générateurs traditionnels. En tant que tel, les générateurs piézoélectriques viennent en tailles petites, compactes et très maniables.

Dans cette génération, les générateurs piézoélectriques sont une percée bienvenue dans la génération d'énergie. Bien que pas encore réalisée, ils possèdent le pouvoir d'amener le rêve de dispositifs électroniques sans fil auto-alimentés en réalité.

Ça pourrait encore être un long chemin jusqu'à ce qu'on puisse actualiser ce rêve ; cependant, les générateurs piézoélectriques ont prouvé être des sources d'énergie fiables, stables et hautement durables. Les experts croient que ce ne sera pas long jusqu'à ce que les générateurs piézoélectriques puissent remplacer une grande partie de nos besoins en énergie.

Générateurs piézoélectriques – Avantages et Limitations

Avantages

• Premièrement, polyvalents en taille. En raison de leurs caractéristiques uniques, les éléments piézo viennent en tailles et designs hautement flexibles. Ils peuvent être aussi plats que vous en avez besoin pour s'adapter à n'importe quel dispositif miniature.

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

Limitations

• 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 ensemble plusieurs éléments piézoélectriques. Cependant, après un certain point, il y a des rendements décroissants car il faudra plus de pression pour faire fonctionner le système.

Conclusion

Donc, comment fonctionne la piézoélectricité ? En résumé, les matériaux piézoélectriques peuvent commodément convertir l'énergie mécanique en énergie électrique. Les caractéristiques uniques de ces matériaux les rendent hautement utiles dans de nombreux domaines technologiques. Surtout les domaines qui ont besoin de positionnement précis.

Les applications de la technologie piézoélectrique sont illimitées, et il y a beaucoup de possibilités à explorer. Les fabricants technologiques comme WellPCB sont en première ligne pour intégrer cette technologie dans l'usage quotidien.