Nous avons des matériaux spécifiques adaptés aux applications piézoélectriques, mais comment fonctionne exactement le processus ?Avec l'effet piézoélectrique.Le trait le plus unique de cet effet est qu'il fonctionne de deux façons.Vous pouvez appliquer de l'énergie mécanique ou de l'énergie électrique au même matériau piézoélectrique et obtenir un résultat opposé.
L'application d'énergie mécanique à un cristal s'appelle un effet piézoélectrique direct et fonctionne comme ceci :
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Un cristal piézoélectrique est placé entre deux plaques métalliques.À ce stade, le matériau est en parfait équilibre et ne conduit pas de courant électrique.
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Une pression mécanique est ensuite appliquée au matériau par les plaques métalliques, ce qui force les charges électriques à l'intérieur du cristal à se déséquilibrer.Des charges négatives et positives en excès apparaissent sur les côtés opposés de la face cristalline.
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La plaque métallique recueille ces charges, qui peuvent être utilisées pour produire une tension et envoyer un courant électrique à travers un circuit.
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Ça y est, une simple application de pression mécanique, la compression d'un cristal et d'un coup vous avez un courant électrique.Vous pouvez également faire l'inverse en appliquant un signal électrique à un matériau sous forme d'effet piézoélectrique inverse.Cela fonctionne comme ceci :
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Dans la même situation que l'exemple ci-dessus, nous avons un cristal piézoélectrique placé entre deux plaques métalliques.La structure du cristal est en parfait équilibre.
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L'énergie électrique est ensuite appliquée au cristal, qui rétrécit et dilate la structure du cristal.
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Lorsque la structure du cristal se dilate et se contracte, il convertit l'énergie électrique reçue et libère de l'énergie mécanique sous la forme d'une onde sonore.
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L'effet piézoélectrique inverse est utilisé dans une variété d'applications.Prenez un haut-parleur par exemple, qui applique une tension à une céramique piézoélectrique, faisant vibrer le matériau dans l'air sous forme d'ondes sonores.
La découverte de la piézoélectricité
La piézoélectricité a été découverte pour la première fois en 1880 par deux frères et scientifiques français, Jacques et Pierre Curie.En expérimentant avec une variété de cristaux, ils ont découvert que l'application d'une pression mécanique à des cristaux spécifiques comme le quartz libérait une charge électrique.Ils ont appelé cela l'effet piézoélectrique.
Les 30 années suivantes ont vu la piézoélectricité réservée en grande partie aux expériences de laboratoire et au raffinement ultérieur.Ce n'est qu'à la Première Guerre mondiale que la piézoélectricité a été utilisée pour des applications pratiques dans le sonar.Sonar fonctionne en connectant une tension à un émetteur piézoélectrique.C'est l'effet piézoélectrique inverse en action, qui convertit l'énergie électrique en ondes sonores mécaniques.
Les ondes sonores traversent l'eau jusqu'à ce qu'elles touchent un objet.Ils retournent ensuite vers un récepteur source.Ce récepteur utilise l'effet piézoélectrique direct pour convertir les ondes sonores en une tension électrique, qui peut ensuite être traitée par un dispositif de traitement du signal.En utilisant le temps écoulé entre le départ du signal et son retour, la distance d'un objet peut facilement être calculée sous l'eau.
Avec le succès du sonar, la piézoélectricité a gagné les yeux avides des militaires.La Seconde Guerre mondiale a encore fait progresser la technologie alors que des chercheurs des États-Unis, de Russie et du Japon travaillaient à la fabrication de nouveaux matériaux piézoélectriques artificiels appelés ferroélectriques.Cette recherche a conduit à deux matériaux artificiels qui sont utilisés aux côtés du cristal de quartz naturel, le titanate de baryum et le titanate de zirconate de plomb.
La piézoélectricité aujourd'hui
Dans le monde actuel de l'électronique, la piézoélectricité est utilisée partout.Demander à Google l'itinéraire vers un nouveau restaurant utilise la piézoélectricité dans le microphone.Il y a même un métro à Tokyo qui utilise la puissance des pas humains pour alimenter des structures piézoélectriques dans le sol.Vous trouverez la piézoélectricité utilisée dans ces applications électroniques :
Actionneurs
Les actionneurs utilisent la piézoélectricité pour alimenter des appareils tels que des machines à tricoter et à braille, des caméras vidéo et des smartphones.Dans ce système, une plaque métallique et un dispositif actionneur prennent en sandwich un matériau piézoélectrique.Une tension est ensuite appliquée au matériau piézoélectrique, qui se dilate et se contracte.Ce mouvement entraîne également le déplacement de l'actionneur.
Haut-parleurs et buzzers
Les haut-parleurs utilisent la piézoélectricité pour alimenter des appareils tels que des réveils et d'autres petits appareils mécaniques qui nécessitent des capacités audio de haute qualité.Ces systèmes tirent parti de l'effet piézoélectrique inverse en convertissant un signal de tension audio en énergie mécanique sous forme d'ondes sonores.
Conducteurs
Les pilotes convertissent une batterie basse tension en une tension plus élevée qui peut ensuite être utilisée pour piloter un dispositif piézo.Ce processus d'amplification commence par un oscillateur qui produit des ondes sinusoïdales plus petites.Ces ondes sinusoïdales sont ensuite amplifiées avec un amplificateur piézo.
Capteurs
Les capteurs sont utilisés dans une variété d'applications telles que les microphones, les guitares amplifiées et les équipements d'imagerie médicale.Un microphone piézoélectrique est utilisé dans ces appareils pour détecter les variations de pression dans les ondes sonores, qui peuvent ensuite être converties en un signal électrique pour le traitement.
Pouvoir
L'une des applications les plus simples de la piézoélectricité est l'allume-cigare électrique.Une pression sur le bouton du briquet libère un marteau à ressort dans un cristal piézoélectrique.Cela produit un courant électrique qui traverse un éclateur pour chauffer et enflammer le gaz.Ce même système d'alimentation piézoélectrique est utilisé dans les grands brûleurs à gaz et les fours.
Moteurs
Les cristaux piézoélectriques sont parfaits pour les applications qui nécessitent une précision précise, comme le mouvement d'un moteur.Dans ces dispositifs, le matériau piézoélectrique reçoit un signal électrique, qui est ensuite converti en énergie mécanique pour forcer une plaque de céramique à se déplacer.
La piézoélectricité et le futur
Quel avenir pour la piézoélectricité ?Les possibilités ne manquent pas.Une idée populaire que les inventeurs lancent est d'utiliser la piézoélectricité pour la récupération d'énergie.Imaginez avoir des dispositifs piézoélectriques dans votre smartphone qui pourraient être activés par le simple mouvement de votre corps pour les maintenir chargés.
En pensant un peu plus grand, vous pouvez également intégrer un système piézoélectrique sous la chaussée de l'autoroute qui peut être activé par les roues des voitures en déplacement.Cette énergie pourrait ensuite être utilisée pour allumer les feux rouges et autres appareils à proximité.Ajoutez à cela une route remplie de voitures électriques et vous vous retrouveriez dans une situation d'énergie positive nette.
