L'effet piézoélectrique et son application en technologie
En 1880, les frères Jacques et Pierre Curie ont découvert que lorsque certains cristaux naturels étaient comprimés ou étirés, des charges électriques apparaissaient aux bords des cristaux. Les frères appelaient ce phénomène « piézoélectricité » (le mot grec « piézo » signifie « presser »), et eux-mêmes appelaient ces cristaux des cristaux piézoélectriques.
Il s'est avéré que les cristaux de tourmaline, le quartz et d'autres cristaux naturels, ainsi que de nombreux cristaux artificiels, ont un effet piézoélectrique. De tels cristaux viennent régulièrement s'ajouter à la liste des cristaux piézoélectriques déjà connus.
Lorsqu'un tel cristal piézoélectrique est étiré ou comprimé dans la direction souhaitée, des charges électriques opposées avec une faible différence de potentiel apparaissent sur certaines de ses surfaces.
Si nous plaçons des électrodes connectées les unes aux autres sur ces faces, alors au moment de la compression ou de l'étirement du cristal, une courte impulsion électrique apparaîtra dans le circuit formé par les électrodes.Ce sera la manifestation de l'effet piézoélectrique... A pression constante, une telle impulsion ne se produira pas.
Les propriétés inhérentes à ces cristaux permettent de produire des instruments précis et sensibles.
Le cristal piézoélectrique est hautement élastique. Lorsque la force est déformée, le cristal reprend son volume et sa forme d'origine sans inertie. Cela vaut la peine de refaire un effort ou de changer ce qui a déjà été appliqué, et il répondra immédiatement par une nouvelle impulsion de courant. C'est le meilleur enregistreur pour atteindre de très faibles vibrations mécaniques. Le courant dans le circuit du cristal vibrant est faible et ce fut une pierre d'achoppement lors de la découverte de l'effet piézoélectrique par les frères Curie.
Dans la technologie moderne, ce n'est pas un obstacle, car le courant peut être amplifié des millions de fois. On sait maintenant que certains cristaux ont un effet piézoélectrique très important. Et le courant obtenu à partir d'eux peut être transmis sur des fils sur de longues distances, même sans amplification préalable.
Des cristaux piézoélectriques ont été utilisés dans la détection de défauts par ultrasons pour détecter des défauts dans des produits métalliques. Dans les convertisseurs électromécaniques pour la stabilisation des fréquences radio, dans les filtres de communication téléphonique multicanaux lorsque plusieurs conversations sont menées simultanément sur un fil, dans capteurs de pression et de gain, dans les adaptateurs, à soudure par ultrasons — dans de nombreux domaines techniques, les cristaux piézoélectriques ont pris leur position inébranlable.
Une propriété importante des cristaux piézoélectriques était également un effet piézoélectrique inverse... Si des charges de signes opposés sont appliquées sur certaines surfaces du cristal, alors les cristaux eux-mêmes seront déformés dans ce cas.Si des vibrations électriques d'une fréquence audio sont appliquées à un cristal, il commencera à vibrer à la même fréquence et des ondes sonores seront excitées dans l'air ambiant. Ainsi, le même cristal peut servir à la fois de microphone et de haut-parleur.
Une autre caractéristique des cristaux piézoélectriques en fait une partie intégrante de la technologie radio moderne. Possédant la fréquence naturelle des vibrations mécaniques, le cristal commence à vibrer particulièrement fortement au moment où la fréquence de la tension alternative appliquée coïncide avec elle.
Il s'agit d'une manifestation de résonance électromécanique, sur la base de laquelle des stabilisateurs piézoélectriques sont créés, grâce auxquels une fréquence constante est maintenue dans les générateurs d'oscillations continues.
Ils répondent de manière similaire aux vibrations mécaniques dont la fréquence correspond à la fréquence de vibration naturelle du cristal piézoélectrique. Cela vous permet de créer des dispositifs acoustiques qui sélectionnent parmi tous les sons qui leur parviennent uniquement ceux qui sont nécessaires à un usage ou à un autre.
Les cristaux entiers ne sont pas pris pour les dispositifs piézoélectriques. Les cristaux sont découpés en couches strictement orientées par rapport à leurs axes cristallographiques, ces couches sont transformées en plaques rectangulaires ou circulaires, qui sont ensuite polies à une certaine taille. L'épaisseur des plaques est soigneusement maintenue car la fréquence de résonance des oscillations en dépend. Une ou plusieurs plaques reliées par des couches métalliques sur deux larges surfaces sont appelées éléments piézoélectriques.