Quel est l'effet piézoélectrique?
L'effet piézoélectrique est une propriété unique de certains cristaux où ils généreront un champ ou un courant électrique s'ils sont soumis à des contraintes physiques. Le même effet peut également être observé à l’inverse, où un champ électrique imposé sur le cristal exercera une contrainte sur sa structure. L'effet piézoélectrique est essentiel pour les transducteurs, qui sont des composants électriques utilisés dans une grande variété d'applications de capteurs et de circuits. En dépit de la polyvalence de ce phénomène pour des applications dans des dispositifs électromécaniques, il a été découvert en 1880, mais son utilisation n’a été généralisée que près de cinquante ans plus tard. Les types de structures cristallines qui présentent l'effet piézoélectrique comprennent le quartz, la topaze et le sel de Rochelle, un type de sel de potassium répondant à la formule chimique de KNaC 4 H 4 O 6 4H 2 O.
Pierre Curie, célèbre pour avoir remporté le prix Nobel de physique en 1903 pour ses recherches sur les radiations avec son épouse Marie, aurait découvert l'effet piézoélectrique avec son frère Jacques Curie en 1880. À l'époque, les frères ne découvrirent pas l'effet piézoélectrique inverse. Cependant, lorsque l’électricité déforme les cristaux. Gabriel Lippmann, physicien franco-luxembourgeois, est crédité de la découverte de l'effet inverse l'année suivante, qui a conduit à l'invention de l'électromètre Lippmann en 1883, un dispositif au cœur du fonctionnement du premier appareil d'électrocardiographie (ECG) expérimental.
Les effets piézoélectriques ont la propriété unique de développer souvent des milliers de volts de différence de potentiel d'énergie électrique avec des niveaux de courant très faibles. Cela rend même de minuscules cristaux piézoélectriques des objets utiles pour générer des étincelles dans des équipements d'allumage tels que des fours à gaz. Les cristaux piézoélectriques sont également couramment utilisés pour contrôler des mouvements précis dans les microscopes, les imprimantes et les horloges électroniques.
Le processus par lequel l'effet piézoélectrique se produit est basé sur la structure fondamentale d'un réseau cristallin. Les cristaux ont généralement un solde de charge où les charges négatives et positives s’annulent précisément le long des plans rigides du réseau cristallin. Lorsque cet équilibre de charge est perturbé par l'application de contraintes physiques à un cristal, l'énergie est transférée par des porteurs de charge électriques, créant un courant dans le cristal. Avec l'effet piézoélectrique inverse, l'application d'un champ électrique externe au cristal déséquilibrera l'état de charge neutre, ce qui se traduira par une contrainte mécanique et un léger réajustement de la structure du réseau.
Depuis 2011, l'effet piézoélectrique a été largement monopolisé et utilisé dans des horloges à quartz, des allumeurs de chauffe-eau, des grils portables et même des briquets à main. Dans les imprimantes d’ordinateur, les minuscules cristaux sont utilisés au niveau des buses des imprimantes à jet d’encre pour bloquer le flux d’encre. Lorsqu'un courant leur est appliqué, ils se déforment, permettant à l'encre de couler sur le papier en volumes soigneusement contrôlés pour produire du texte et des images.
L'effet piézoélectrique peut également être utilisé pour générer un son pour les haut-parleurs miniatures des montres et pour les transducteurs soniques afin de mesurer les distances entre les objets, par exemple pour les chercheurs d'étalons dans le secteur de la construction. Les transducteurs à ultrasons sont également basés sur des cristaux piézoélectriques ainsi que sur de nombreux microphones. Depuis 2011, ils utilisent des cristaux fabriqués à partir de titanate de baryum, de titanate de plomb ou de zirconate de plomb, qui produisent des tensions plus basses que le sel de Rochelle, qui était le cristal standard dans les premières formes de ces technologies.
L'une des technologies les plus avancées permettant de capitaliser sur l'effet piézoélectrique à partir de 2011 est celle du microscope à effet tunnel à balayage (STM), utilisé pour examiner visuellement la structure des atomes et des petites molécules. Le STM est un outil fondamental dans le domaine des nanotechnologies. Les cristaux piézoélectriques utilisés dans les STM sont capables de générer un mouvement mesurable à l’échelle de quelques nanomètres ou milliardièmes de mètre.