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L'effet piézoélectrique

Piézo-électricité

L'effet piézoélectrique

L'effet piezo a été découvert en 1880 par les frères Jacques et Pierre Curie. Pendant des expériences avec des cristaux de tourmaline, ils ont découvert que des charges électriques apparaissaient à la surface lorsque le cristal était déformé mécaniquement. La quantité de la charge électrique était exactement proportionnelle à la force appliquée.

Lorsqu'un matériau piézoélectrique est déformé mécaniquement, les charges électriques contenues dans les cellules élémentaires se déplacent et forment un champ électrique sur tout le corps. La charge ainsi produite peut être collectée sur les surfaces respectives du corps piézoélectrique. C'est ce qu'on appelle l'effet piézoélectrique direct.

L'effet piézoélectrique est également inversable. Si nous appliquons une tension sur les mêmes surfaces, le corps piézoélectrique se déformera de la même manière. Ce phénomène est appelé l'effet piézo inverse.

Nous retenons:

  • Les matériaux piézoélectriques sont extrêmement sensibles à la déformation mécanique.

  • La relation entre la charge de sortie et la force appliquée est strictement linéaire (la quantité de charge suit exactement la force).

  • La charge est produite en raison de la déformation du piézo mais cette déformation est extrêmement faible.

  • La plupart des matériaux piézoélectriques sont assez rigides, dans de nombreux cas comparables à un matériau comme l'aluminium.

 

Les cristaux piézoélectriques

Si nous parlons de cristaux piézoélectriques, nous voulons normalement dire un mono cristal. C'est-à-dire un corps constitué d'un seul cristal continu.
Le cristal piézoélectrique le plus connu est probablement le quartz. Le quartz peut être trouvé dans la nature mais pour les applications techniques, il est normalement fabriqué artificiellement.

Natural Quartz / Pixabay: rock-crystal-1603474_1920

Quartz naturel

Chimiquement, le quartz est composé de silicium (Si) et d'oxygène (O).
L'arrangement du silicium et de l'oxygène se présente sous la forme d'un tétraèdre, comme le montre l'image.
Les atomes d'oxygène forment un tétraèdre autour de chaque atome de silicium, ce qui signifie que chaque silicium est entouré de quatre oxygènes.

Silicon - Oxygen tetrahedron

Oxygène O

Silicium Si

Tétraèdre silicium - oxygène
(la taille des atomes n'est pas à l'échelle)

La structure d'un cristal de quartz est très complexe.
L'image montre une impression de l'aspect à l'intérieur d'un quartz lorsque nous pourrions visualiser les tétraèdres Si-O.
Cependant, nous ne devons pas avoir peur de cette complexité. Au lieu de cela, nous revenons au simple tétraèdre de base.
 

Structure of quartz built up with silicon - oxygen tetrahedrons

Structure de quartz constituée de tétraèdres silicium - oxygène

Le silicium et les oxygènes portent une charge électrique. Les oxygènes sont chrgös négativement et le silicium est positif.

Dans l'illustration, les charges respectives sont indiquées en bleu (-) et en rouge (+).
Lorsqu'un tel élément tétraèdre est déformé mécaniquement, la charge positive du silicium est déplacée vers le bas et le tétraèdre devient donc positif en bas et plus négatif en haut.

(      passe avec le pointeur de la souris sur l'image pour appliquer une force verticale).

Cette image montre un modèle simplifié de la structure du quartz. Chaque point repésente un tétraèdre disposé en hexagones. En réalité, comme nous l'avons vu, la situation est beaucoup plus complexe.
Bien que l'orientation réelle des tétraèdres soit quelque peu différente, tous seront affectés avec leur atome central de Si poussé vers le bas lorsqu'une force verticale est appliquée. Les unités Si-O produisent une charge électrique dans la même direction, ce qui signifie qu'une charge nette apparaît à la surface du haut et du bas du corps.

charge up the ping-pong balls by hovering

Modèle simplifié d'une structure de quartz montrant la répartition des charges. Bleu (-) rouge (+).
À noter que la couleur rose est due au chevauchement du bleu et du rouge

 
Si-O2 geladen_1.png
Si-O2 geladen_2.png
charge up the ping-pong balls by hovering

Modification du moment dipolaire électrique net par déformation mécanique.

Les céramiques piézoélectriques

Un autre groupe de matériaux piézoélectriques sont les céramiques piézoélectriques.

Toutes les céramiques piézo sont fabriquées artificiellement.

L'un des matériaux céramiques piézo les plus utilisés est le titanate-zirconate de plomb ou PZT .

Le PZT est un mélange de zirconate de plomb et de titanate de plomb.

Le matériau n'est pas un mono cristal mais un conglomérat de petits cristaux ou cristallites. L'unité de base d'un tel cristallite est un cube composé d'atomes de plomb (Pb) dans les coins et d'atomes d'oxygène (O) au centre de chaque face. À l'intérieur de cette structure, on trouve un atome plus petit, soit de titane (Ti), soit de zirconium (Zr).
En fonction de la température, cette structure peut prendre deux états légèrement différents. Au-delà d'une certaine température, appelée température de Curie, la structure cristalline est un simple cube. Elle est complètement symétrique et n'est pas piézoélectrique.

Atom model of piezo ceramic above the Curie point.

Pb ²⁺

Ti ⁴⁺  or   Zr ⁴⁺

O ²⁻

Au-dessus du point Curie:

Structure cubique avec disposition symétrique des charges positives et négatives. Pas piézo-électrique.

Cependant, lorsque le cristal est refroidi en dessous de la température de Curie, le cube de cristal est étiré un peu dans une direction et l'atome de Ti ou de Zr est poussé hors du centre. Cela se produit tout seul et s'appelle polarisation spontanée. Nous reconnaissons maintenant une structure similaire à celle du quartz. En fait, l'atome de Ti ou de Zr a une forte charge positive tandis que les oxygènes sont négatives et nous retrouvons le même mécanisme qui rend le matériau piézoélectrique.
La polarisation peut se faire dans la direction de n'importe quelle face du cube, il y a donc 6 directions possibles.

Atom model of piezo ceramic below the Curie point.

polarisation

En dessous du point Curie:

Structure polarisée avec l'atome central positif déplacé vers le haut, créant une distribution asymétrique des charges positives et négatives.

Montre l'effet piézoélectrique.

Polarisation de la céramique piézoélectrique

Une céramique piézo est un conglomérat de petits cristaux qui collent ensemble grâce à un processus de "cuisson" appelé frittage. Pendant le refroidissement, la polarisation spontanée se produit et les éléments adjacents s'alignent en formant des domaines à orientation parallèle. L'alignement génère une polarisation individuelle mais uniforme pour chaque domaine. La direction de la polarisation dans les différents domaines est complètement au hasard, de ce fait l'élément céramique n'a pas de polarisation globale. Cependant, il est tout de même possible d'aligner les domaines dans un élément en céramique.

En chauffant l'élément presque à la température de Curie et en l'exposant à un fort champ électrique, la polarisation des domaines peut être alignée et reste "gelée" lorsque le champ électrique est retiré.

Pour créer un champ électrique, nous devons placer des électrodes sur des surfaces opposées et appliquer une haute tension. La tension négative ou la charge électrique sur la surface supérieure attirera les atomes de Zr et de Ti, qui seront refroidis positivement, et les tirera vers le haut, ce qui alignera les différents domaines.
Ce traitement s'appelle la polarisation.

Random orientation of different Weiss domains

Orientation aléatoire des différents domaines

Polarization in a strong DC electric field

Polarisation dans un fort champ électrique

Lorsque le champ électrique est supprimé, la plupart des polarisations sont verrouillées dans une configuration de presque alignement. Cependant, l'alignement ne sera pas parfaitement droit car chaque domaine ne permet que des directions distinctes. L'élément a maintenant une polarisation permanente et il est piézoélectrique.
Nous pouvons maintenant comprendre que le chauffage d'un élément piézoélectrique au-dessus de la température de Curie détruira l'alignement de la polarisation et donc l'effet piézoélectrique intégral de l'élément.

Remnant polarization after removal of the electric field

Polarisation résiduelle après élimination du champ électrique