La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à générer de l'électricité lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques et inversement. Le mot vient du grec piezo signifiant pression, et électricité. Il a été découvert pour la première fois en 1880, mais le concept est connu depuis longtemps.
L'exemple le plus connu de piézoélectricité est le quartz, mais de nombreux autres matériaux présentent également ce phénomène. L'utilisation la plus courante de la piézoélectricité est la production d'ultrasons.
Dans cet article, je vais discuter de ce qu'est la piézoélectricité, de son fonctionnement et de certaines des nombreuses applications pratiques de ce phénomène étonnant.
Qu'est-ce que la piézoélectricité ?
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à générer une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Il s'agit d'une interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques dans les matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Les matériaux piézoélectriques peuvent être utilisés pour générer de l'électricité à haute tension, des générateurs d'horloge, des appareils électroniques, des microbalances, des buses à ultrasons et des ensembles optiques à focalisation ultrafine.
Les matériaux piézoélectriques comprennent les cristaux, certaines céramiques, la matière biologique comme l'os et l'ADN, et les protéines. Lorsqu'une force est appliquée à un matériau piézoélectrique, il produit une charge électrique. Cette charge peut ensuite être utilisée pour alimenter des appareils ou créer une tension.
Les matériaux piézoélectriques sont utilisés dans une variété d'applications, notamment :
• Production et détection de son
• Impression jet d'encre piézoélectrique
• Génération d'électricité haute tension
• Générateurs d'horloge
• Appareils électroniques
• Microbalances
• Entraînement des buses à ultrasons
• Ensembles optiques à focalisation ultrafine
• Pickups pour guitares amplifiées électroniquement
• Déclencheurs pour batterie électronique moderne
• Production d'étincelles pour enflammer le gaz
• Appareils de cuisson et de chauffage
• Torches et briquets.
Quelle est l'histoire de la piézoélectricité ?
La piézoélectricité a été découverte en 1880 par les physiciens français Jacques et Pierre Curie. C'est la charge électrique qui s'accumule dans certains matériaux solides, tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique, en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Le mot « piézoélectricité » est dérivé du mot grec « piezein », qui signifie « presser » ou « appuyer », et « elektron », qui signifie « ambre », une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique résulte de l'interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Il s'agit d'un processus réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué.
Les connaissances combinées des Curies sur la pyroélectricité et la compréhension des structures cristallines sous-jacentes ont donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité et à la capacité de prédire le comportement des cristaux. Cela a été démontré dans l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle.
Les Curie ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Au fil des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire jusqu'à ce qu'elle devienne un outil indispensable dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie.
La piézoélectricité a été exploitée pour de nombreuses applications utiles, notamment la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité à haute tension, les générateurs d'horloge et les appareils électroniques, les microbalances, les buses à ultrasons, la focalisation ultrafine des assemblages optiques et les formes base des microscopes à sonde à balayage pour résoudre des images à l'échelle des atomes.
La piézoélectricité trouve également des utilisations quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour enflammer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets et l'effet pyroélectrique, où un matériau génère un potentiel électrique en réponse à un changement de température.
Le développement du sonar pendant la Première Guerre mondiale a vu l'utilisation de cristaux piézoélectriques développés par Bell Telephone Laboratories. Cela a permis aux forces aériennes alliées de s'engager dans des attaques de masse coordonnées en utilisant la radio de l'aviation. Le développement de dispositifs et de matériaux piézoélectriques aux États-Unis a maintenu les entreprises dans le développement des débuts de guerre dans le domaine des intérêts, obtenant des brevets rentables pour de nouveaux matériaux.
Le Japon a vu les nouvelles applications et la croissance de l'industrie piézoélectrique des États-Unis et a rapidement développé la sienne. Ils ont partagé des informations rapidement et ont développé des matériaux de titanate de baryum et plus tard de titanate de zirconate de plomb avec des propriétés spécifiques pour des applications particulières.
La piézoélectricité a parcouru un long chemin depuis sa découverte en 1880 et est maintenant utilisée dans une variété d'applications quotidiennes. Il a également été utilisé pour faire des progrès dans la recherche sur les matériaux, tels que les réflectomètres à ultrasons dans le domaine temporel, qui envoient une impulsion ultrasonore à travers un matériau pour mesurer les réflexions et les discontinuités afin de trouver des défauts à l'intérieur des objets en métal coulé et en pierre, améliorant ainsi la sécurité structurelle.
Comment fonctionne la piézoélectricité
Dans cette section, j'explorerai le fonctionnement de la piézoélectricité. J'examinerai l'accumulation de charges électriques dans les solides, l'interaction électromécanique linéaire et le processus réversible qui composent ce phénomène. Je discuterai également de l'histoire de la piézoélectricité et de ses applications.
Accumulation de charges électriques dans les solides
La piézoélectricité est la charge électrique qui s'accumule dans certains matériaux solides, tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme les os et l'ADN. C'est une réponse à une contrainte mécanique appliquée, et son nom vient des mots grecs "piezein" (presser ou presser) et "ēlektron" (ambre).
L'effet piézoélectrique résulte de l'interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques dans les matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Il s'agit d'un processus réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également l'effet piézoélectrique inverse, où la génération interne de contraintes mécaniques résulte d'un champ électrique appliqué. Des exemples de matériaux qui génèrent une piézoélectricité mesurable comprennent les cristaux de titanate de zirconate de plomb.
Les physiciens français Pierre et Jacques Curie ont découvert la piézoélectricité en 1880. Elle a depuis été exploitée pour une variété d'applications utiles, notamment la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité à haute tension, les générateurs d'horloge et les appareils électroniques comme les microbalances. et piloter des buses à ultrasons pour une focalisation ultrafine d'assemblages optiques. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui peuvent résoudre des images à l'échelle des atomes. La piézoélectricité est également utilisée dans les micros des guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs des batteries électroniques modernes.
La piézoélectricité trouve des utilisations quotidiennes dans la génération d'étincelles pour enflammer le gaz, dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets et l'effet pyroélectrique, où un matériau génère un potentiel électrique en réponse à un changement de température. Cela a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Haüy et Antoine César Becquerel, qui ont postulé une relation entre la contrainte mécanique et la charge électrique. Les expériences se sont révélées peu concluantes.
La vue d'un cristal piézo dans le compensateur de Curie du Hunterian Museum en Écosse est une démonstration de l'effet piézoélectrique direct. Les frères Pierre et Jacques Curie ont combiné leur connaissance de la pyroélectricité avec une compréhension des structures cristallines sous-jacentes, ce qui a donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité. Ils ont pu prédire le comportement des cristaux et ont démontré l'effet dans des cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz présentaient également une piézoélectricité. Un disque piézoélectrique génère une tension lorsqu'il est déformé, et le changement de forme est grandement exagéré dans la démonstration des Curies.
Ils ont pu prédire l'effet piézoélectrique inverse, et l'effet inverse a été déduit mathématiquement par Gabriel Lippmann en 1881. Les Curies ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète de l'électro-élasto- déformations mécaniques dans les cristaux piézoélectriques.
Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire, mais elle a été un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail pour explorer et définir les structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics) de Woldemar Voigt, qui décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques par analyse tensorielle. C'était l'application pratique des dispositifs piézoélectriques, et le sonar a été développé pendant la Première Guerre mondiale. En France, Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons.
Le détecteur était composé d'un transducteur composé de fins cristaux de quartz soigneusement collés sur des plaques d'acier, et d'un hydrophone pour détecter l'écho renvoyé. En émettant un haut fréquence impulsion du transducteur et mesurant le temps qu'il faut pour entendre l'écho des ondes sonores rebondissant sur un objet, ils ont pu calculer la distance à l'objet. Ils ont utilisé la piézoélectricité pour faire du sonar un succès, et le projet a créé un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques. Au fil des décennies, de nouveaux matériaux piézoélectriques et de nouvelles applications pour les matériaux ont été explorés et développés, et les dispositifs piézoélectriques ont trouvé leur place dans une variété de domaines. Les cartouches de phonographe en céramique simplifient la conception des lecteurs et sont conçues pour des tourne-disques bon marché et précis, moins chers à entretenir et plus faciles à construire.
Le développement des transducteurs à ultrasons a permis de mesurer facilement la viscosité et l'élasticité des fluides et des solides, ce qui a permis d'énormes progrès dans la recherche sur les matériaux.
Interaction électromécanique linéaire
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à générer une charge électrique lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques. Le mot est dérivé des mots grecs πιέζειν (piezein) signifiant « presser ou presser » et ἤλεκτρον (ēlektron) signifiant « ambre », qui était une ancienne source de charge électrique.
La piézoélectricité a été découverte en 1880 par les physiciens français Jacques et Pierre Curie. Il est basé sur l'interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Cet effet est réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également un effet piézoélectrique inverse, la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Des exemples de matériaux qui génèrent une piézoélectricité mesurable lorsqu'ils sont déformés de leur structure statique comprennent les cristaux de titanate de zirconate de plomb. À l'inverse, les cristaux peuvent changer de dimension statique lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse et utilisé dans la production d'ondes ultrasonores.
La piézoélectricité a été exploitée pour une variété d'applications utiles, telles que :
• Production et détection de son
• Impression jet d'encre piézoélectrique
• Génération d'électricité haute tension
• Générateur d'horloge
• Appareils électroniques
• Microbalances
• Entraînement des buses à ultrasons
• Ensembles optiques à focalisation ultrafine
• Forme la base des microscopes à sonde à balayage pour résoudre les images à l'échelle des atomes
• Micros dans les guitares amplifiées électroniquement
• Déclencheurs dans les batteries électroniques modernes
• Génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage
• Torches et briquets
La piézoélectricité trouve également des utilisations quotidiennes dans l'effet pyroélectrique, qui est un matériau qui génère un potentiel électrique en réponse à un changement de température. Cela a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Haüy et Antoine César Becquerel, qui ont postulé une relation entre la contrainte mécanique et la charge électrique. Cependant, les expériences se sont révélées peu concluantes.
La visualisation d'un cristal piézo dans le compensateur de Curie au Hunterian Museum en Écosse est une démonstration de l'effet piézoélectrique direct. Ce sont les travaux des frères Pierre et Jacques Curie qui ont exploré et défini les structures cristallines présentant de la piézoélectricité, aboutissant à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt. Celui-ci décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques par analyse tensorielle, conduisant à l'application pratique des dispositifs piézoélectriques.
Le sonar a été développé pendant la Première Guerre mondiale, lorsque le Français Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Ce détecteur se composait d'un transducteur constitué de minces cristaux de quartz soigneusement collés à des plaques d'acier et d'un hydrophone pour détecter l'écho renvoyé après avoir émis une impulsion à haute fréquence du transducteur. En mesurant le temps nécessaire pour entendre l'écho des ondes sonores rebondissant sur un objet, ils ont pu calculer la distance de l'objet, en utilisant la piézoélectricité. Le succès de ce projet a suscité un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques au fil des décennies, de nouveaux matériaux piézoélectriques et de nouvelles applications pour ces matériaux étant explorés et développés. Les appareils piézoélectriques ont trouvé leur place dans de nombreux domaines, tels que les cartouches de phonographe en céramique, qui simplifiaient la conception des lecteurs et rendaient les tourne-disques moins chers et plus précis, et moins chers et plus faciles à construire et à entretenir.
Le développement des transducteurs à ultrasons a permis de mesurer facilement la viscosité et l'élasticité des fluides et des solides, ce qui a permis d'énormes progrès dans la recherche sur les matériaux. Les réflectomètres à ultrasons dans le domaine temporel envoient une impulsion ultrasonique dans un matériau et mesurent les réflexions et les discontinuités pour trouver des défauts à l'intérieur des objets en métal coulé et en pierre, améliorant ainsi la sécurité structurelle. Après la Seconde Guerre mondiale, des groupes de recherche indépendants aux États-Unis, en Russie et au Japon ont découvert une nouvelle classe de matériaux synthétiques appelés ferroélectriques, qui présentaient des constantes piézoélectriques plusieurs fois supérieures à celles des matériaux naturels. Cela a conduit à des recherches intenses pour développer le titanate de baryum, et plus tard le titanate de zirconate de plomb, des matériaux aux propriétés spécifiques pour des applications particulières.
Un exemple significatif de l'utilisation de cristaux piézoélectriques a été développé par Bell Telephone Laboratories après la Seconde Guerre mondiale. Frederick R. Lack, travaillant dans le département d'ingénierie de radiotéléphonie,
Processus réversible
La piézoélectricité est une charge électrique qui s'accumule dans certains matériaux solides, tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme les os et l'ADN. C'est la réponse de ces matériaux aux contraintes mécaniques appliquées. Le mot « piézoélectricité » vient des mots grecs « piezein » signifiant « presser » ou « presser » et « ēlektron » signifiant « ambre », une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique résulte de l'interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Il s'agit d'un processus réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Des exemples de matériaux qui génèrent une piézoélectricité mesurable comprennent les cristaux de titanate de zirconate de plomb. Lorsque la structure statique de ces cristaux est déformée, ils retrouvent leur dimension d'origine, et inversement, lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, ils changent de dimension statique, produisant des ondes ultrasonores.
Les physiciens français Jacques et Pierre Curie ont découvert la piézoélectricité en 1880. Elle a depuis été exploitée pour une variété d'applications utiles, notamment la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité à haute tension, les générateurs d'horloge, les appareils électroniques, les microbalances, piloter des buses à ultrasons et des ensembles optiques à focalisation ultrafine. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui peuvent résoudre des images à l'échelle des atomes. La piézoélectricité est également utilisée dans les micros des guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs des batteries électroniques modernes.
La piézoélectricité trouve également des utilisations quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets, etc. L'effet pyroélectrique, dans lequel un matériau génère un potentiel électrique en réponse à un changement de température, a été étudié par Carl Linnaeus, Franz Aepinus et René Haüy au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur la connaissance de l'ambre. Antoine César Becquerel a postulé une relation entre la contrainte mécanique et la charge électrique, mais les expériences se sont avérées peu concluantes.
Les visiteurs du Hunterian Museum de Glasgow peuvent voir le Piezo Crystal Curie Compensator, une démonstration de l'effet piézoélectrique direct par les frères Pierre et Jacques Curie. La combinaison de leur connaissance de la pyroélectricité avec une compréhension des structures cristallines sous-jacentes a donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité et à la capacité de prédire le comportement des cristaux. Cela a été démontré avec l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz présentaient également une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique a été utilisé pour générer une tension lorsqu'il était déformé. Ce changement de forme a été largement exagéré par les Curie pour prédire l'effet piézoélectrique inverse. L'effet inverse a été mathématiquement déduit des principes thermodynamiques fondamentaux par Gabriel Lippmann en 1881.
Les Curie ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire, mais elle a été un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail pour explorer et définir les structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt. Celui-ci décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques à l'aide d'une analyse tensorielle.
L'application pratique des dispositifs piézoélectriques, tels que le sonar, a été développée pendant la Première Guerre mondiale. En France, Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Ce détecteur se composait d'un transducteur constitué de fins cristaux de quartz soigneusement collés à des plaques d'acier et d'un hydrophone pour détecter l'écho renvoyé. En émettant une impulsion à haute fréquence à partir du transducteur et en mesurant le temps nécessaire pour entendre l'écho des ondes sonores rebondissant sur un objet, ils ont pu calculer la distance de l'objet. Ils ont utilisé la piézoélectricité pour faire de ce sonar un succès. Ce projet a créé un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques, et au fil des décennies, de nouveaux matériaux piézoélectriques et de nouvelles applications pour ces matériaux ont été explorés et développés. Dispositifs piézoélectriques
Qu'est-ce qui cause la piézoélectricité?
Dans cette section, j'explorerai les origines de la piézoélectricité et les différents matériaux qui présentent ce phénomène. Je vais regarder le mot grec "piezein", l'ancienne source de charge électrique, et l'effet pyroélectrique. J'aborderai également les découvertes de Pierre et Jacques Curie et le développement des dispositifs piézoélectriques au XXe siècle.
Mot grec Piezein
La piézoélectricité est l'accumulation de charge électrique dans certains matériaux solides, tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme l'os et l'ADN. Elle est causée par la réponse de ces matériaux à une contrainte mécanique appliquée. Le mot piézoélectricité vient du mot grec « piezein », qui signifie « presser ou presser », et « ēlektron », qui signifie « ambre », une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique résulte de l'interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Il s'agit d'un processus réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Par exemple, les cristaux de titanate de zirconate de plomb génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. À l'inverse, les cristaux peuvent changer de dimension statique lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, ce que l'on appelle l'effet piézoélectrique inverse et la production d'ondes ultrasonores.
Les physiciens français Jacques et Pierre Curie ont découvert la piézoélectricité en 1880. L'effet piézoélectrique a été exploité pour de nombreuses applications utiles, notamment la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité à haute tension, les générateurs d'horloge et les appareils électroniques comme les microbalances. , entraînent des buses à ultrasons et des ensembles optiques à focalisation ultrafine. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui peuvent résoudre des images à l'échelle des atomes. La piézoélectricité est également utilisée dans les micros des guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs des batteries électroniques modernes.
La piézoélectricité trouve des utilisations quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets, etc. L'effet pyroélectrique, qui est la génération d'un potentiel électrique en réponse à un changement de température, a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Haüy et Antoine César Becquerel, qui postulaient une relation entre contrainte mécanique et charge électrique. Les expériences se sont révélées peu concluantes.
Au musée en Ecosse, les visiteurs peuvent voir un compensateur de Curie à cristal piézo, une démonstration de l'effet piézoélectrique direct par les frères Pierre et Jacques Curie. La combinaison de leur connaissance de la pyroélectricité avec une compréhension des structures cristallines sous-jacentes a donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité et à la capacité de prédire le comportement du cristal. Cela a été démontré par l'effet de cristaux comme la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz du sel de Rochelle présentaient une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique génère une tension lorsqu'il est déformé. Ce changement de forme est très exagéré dans la démonstration des Curies.
Les Curie vont ensuite obtenir la preuve quantitative de la complète réversibilité des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire jusqu'à ce qu'elle devienne un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail pour explorer et définir les structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt. Celui-ci décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques par analyse tensorielle.
Cette application pratique de la piézoélectricité a conduit au développement du sonar pendant la Première Guerre mondiale. En France, Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Le détecteur consistait en un transducteur composé de fins cristaux de quartz soigneusement collés à des plaques d'acier, appelé hydrophone, pour détecter l'écho renvoyé après avoir émis une impulsion à haute fréquence. Le transducteur a mesuré le temps qu'il a fallu pour entendre l'écho des ondes sonores rebondissant sur un objet pour calculer la distance de l'objet. L'utilisation de la piézoélectricité dans le sonar a été un succès, et le projet a suscité un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques pendant des décennies.
De nouveaux matériaux piézoélectriques et de nouvelles applications pour ces matériaux ont été explorés et développés, et les dispositifs piézoélectriques ont trouvé leur place dans de nombreux domaines, tels que les cartouches de phonographe en céramique, ce qui a simplifié la conception du lecteur et créé des tourne-disques moins chers et plus précis, moins chers à entretenir et plus faciles. construire. Le développement
Ancienne source de charge électrique
La piézoélectricité est la charge électrique qui s'accumule dans certains matériaux solides, tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme les os et l'ADN. Elle est causée par la réponse du matériau à une contrainte mécanique appliquée. Le mot « piézoélectricité » vient du mot grec « piezein », qui signifie « serrer ou presser », et du mot « elektron », qui signifie « ambre », une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique résulte de l'interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Il s'agit d'un processus réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Par exemple, les cristaux de titanate de zirconate de plomb génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. A l'inverse, lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, les cristaux changent de dimension statique dans un effet piézoélectrique inverse, produisant des ondes ultrasonores.
L'effet piézoélectrique a été découvert en 1880 par les physiciens français Jacques et Pierre Curie. Il est exploité pour une variété d'applications utiles, notamment la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité haute tension, les générateurs d'horloge et les appareils électroniques tels que les microbalances et les buses à ultrasons pour la focalisation ultrafine des assemblages optiques. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui sont utilisés pour résoudre des images à l'échelle des atomes. La piézoélectricité est également utilisée dans les micros des guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs des batteries électroniques modernes.
La piézoélectricité trouve des utilisations quotidiennes dans la génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets, etc. L'effet pyroélectrique, qui est la production de potentiel électrique en réponse à un changement de température, a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Haüy et Antoine César Becquerel qui ont postulé une relation entre la mécanique stress et charge électrique. Cependant, leurs expériences se sont révélées peu concluantes.
La vue d'un cristal piézo et du compensateur de Curie au Hunterian Museum en Écosse démontre l'effet piézoélectrique direct. Ce sont les travaux des frères Pierre et Jacques Curie qui ont exploré et défini les structures cristallines présentant de la piézoélectricité, aboutissant à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt. Celui-ci décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques par analyse tensorielle, permettant l'application pratique des dispositifs piézoélectriques.
Le sonar a été développé pendant la Première Guerre mondiale par le français Paul Langevin et ses collègues, qui ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Le détecteur se composait d'un transducteur constitué de minces cristaux de quartz soigneusement collés à des plaques d'acier et d'un hydrophone pour détecter l'écho renvoyé. En émettant une impulsion à haute fréquence à partir du transducteur et en mesurant le temps nécessaire pour entendre l'écho des ondes sonores rebondissant sur un objet, ils ont pu calculer la distance jusqu'à l'objet. Ils ont utilisé la piézoélectricité pour faire de ce sonar un succès. Le projet a suscité un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques pendant des décennies.
Pyroélectricité
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Il s'agit d'une interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Le mot « piézoélectricité » est dérivé du mot grec « piezein », qui signifie « presser ou presser », et du mot grec « ēlektron », qui signifie « ambre », une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique a été découvert par les physiciens français Jacques et Pierre Curie en 1880. Il s'agit d'un processus réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant l'effet piézoélectrique présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Des exemples de matériaux qui génèrent une piézoélectricité mesurable comprennent les cristaux de titanate de zirconate de plomb. Lorsqu'une structure statique est déformée, elle revient à sa dimension d'origine. A l'inverse, lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, l'effet piézoélectrique inverse se produit, entraînant la production d'ondes ultrasonores.
L'effet piézoélectrique est exploité pour de nombreuses applications utiles, notamment la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité haute tension, les générateurs d'horloge et les appareils électroniques tels que les microbalances, les buses à ultrasons et les ensembles optiques à focalisation ultrafine. C'est aussi la base des microscopes à sonde à balayage, qui sont utilisés pour résoudre des images à l'échelle des atomes. La piézoélectricité est également utilisée dans les micros des guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs des batteries électroniques modernes.
La piézoélectricité trouve des utilisations quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets, etc. L'effet pyroélectrique, qui est la production de potentiel électrique en réponse à un changement de température, a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Haüy et Antoine César Becquerel, qui avaient postulé une relation entre contrainte mécanique et charge électrique. Cependant, les expériences se sont révélées peu concluantes.
La vue d'un cristal piézo au Curie Compensator Museum en Écosse est une démonstration de l'effet piézoélectrique direct. Les frères Pierre et Jacques Curie ont combiné leur connaissance de la pyroélectricité et leur compréhension des structures cristallines sous-jacentes pour donner naissance à la compréhension de la pyroélectricité et pour prédire le comportement du cristal. Cela a été démontré dans l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz se sont avérés présenter une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique a été utilisé pour générer une tension lorsqu'il est déformé. Cela a été grandement exagéré par les Curies pour prédire l'effet piézoélectrique inverse. L'effet inverse a été mathématiquement déduit par les principes thermodynamiques fondamentaux par Gabriel Lippmann en 1881.
Les Curie ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Dans les décennies qui suivirent, la piézoélectricité resta une curiosité de laboratoire jusqu'à ce qu'elle devienne un outil indispensable dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail pour explorer et définir les structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt.
Le développement du sonar a été un succès et le projet a créé un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques. Dans les décennies qui ont suivi, de nouveaux matériaux piézoélectriques et de nouvelles applications pour ces matériaux ont été explorés et développés. Les appareils piézoélectriques ont trouvé leur place dans de nombreux domaines, tels que les cartouches de phonographe en céramique, ce qui a simplifié la conception du lecteur et créé des tourne-disques moins chers et plus précis, moins chers à entretenir et plus faciles à construire. Le développement des transducteurs à ultrasons a permis de mesurer facilement la viscosité et l'élasticité des fluides et des solides, ce qui a permis d'énormes progrès dans la recherche sur les matériaux. Les réflectomètres à ultrasons dans le domaine temporel envoient une impulsion ultrasonique dans un matériau et mesurent les réflexions et les discontinuités pour trouver des défauts à l'intérieur des objets en métal coulé et en pierre, améliorant ainsi la sécurité structurelle.
Après la Seconde Guerre mondiale, des groupes de recherche indépendants aux États-Unis, en Russie et au Japon ont découvert une nouvelle classe de matériaux synthétiques appelés ferroélectriques, qui présentaient des constantes piézoélectriques qui étaient
Matériaux piézoélectriques
Dans cette section, je discuterai des matériaux qui présentent l'effet piézoélectrique, qui est la capacité de certains matériaux à accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. J'examinerai les cristaux, la céramique, la matière biologique, l'os, l'ADN et les protéines, et comment ils réagissent tous à l'effet piézoélectrique.
Cristaux
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Le mot piézoélectricité est dérivé des mots grecs πιέζειν (piezein) signifiant 'presser' ou 'presser' et ἤλεκτρον (ēlektron) signifiant 'ambre', une ancienne source de charge électrique. Les matériaux piézoélectriques comprennent les cristaux, la céramique, la matière biologique, l'os, l'ADN et les protéines.
La piézoélectricité est une interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques dans les matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Cet effet est réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne d'une contrainte mécanique résultant d'un champ électrique appliqué. Des exemples de matériaux qui génèrent une piézoélectricité mesurable comprennent les cristaux de titanate de zirconate de plomb, qui peuvent être déformés à leur dimension d'origine ou, inversement, changer leur dimension statique lorsqu'un champ électrique externe est appliqué. Ceci est connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse et est utilisé pour produire des ondes ultrasonores.
Les physiciens français Jacques et Pierre Curie ont découvert la piézoélectricité en 1880. L'effet piézoélectrique a été exploité pour une variété d'applications utiles, y compris la production et la détection de son, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité à haute tension, les générateurs d'horloge et les appareils électroniques tels que comme des microbalances, des buses à ultrasons et des assemblages optiques à focalisation ultrafine. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui sont utilisés pour résoudre des images à l'échelle des atomes. Les micros piézoélectriques sont également utilisés dans les guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs dans les batteries électroniques modernes.
La piézoélectricité trouve des utilisations quotidiennes dans la génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, ainsi que dans les torches et les briquets. L'effet pyroélectrique, qui est la génération d'un potentiel électrique en réponse à un changement de température, a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Haüy et Antoine César Becquerel, qui ont postulé une relation entre la mécanique stress et charge électrique. Les expériences pour prouver cette théorie n'ont pas été concluantes.
La vue d'un cristal piézo dans le compensateur de Curie au Hunterian Museum en Écosse est une démonstration de l'effet piézoélectrique direct. Les frères Pierre et Jacques Curie ont combiné leur connaissance de la pyroélectricité avec une compréhension des structures cristallines sous-jacentes pour donner lieu à la prédiction de la pyroélectricité. Ils ont pu prédire le comportement des cristaux et ont démontré l'effet dans des cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz présentaient également une piézoélectricité. Un disque piézoélectrique génère une tension lorsqu'il est déformé ; le changement de forme est très exagéré dans la démonstration des Curies.
Ils ont également pu prédire l'effet piézoélectrique inverse et en déduire mathématiquement les principes thermodynamiques fondamentaux qui le sous-tendent. Gabriel Lippmann le fit en 1881. Les Curie confirmèrent aussitôt l'existence de l'effet inverse, et obtinrent ensuite la preuve quantitative de la complète réversibilité des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques.
Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire, mais elle a été un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail pour explorer et définir les structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics) de Woldemar Voigt, qui décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques à l'aide d'une analyse tensorielle.
L'application pratique des dispositifs piézoélectriques dans les sonars a été développée pendant la Première Guerre mondiale. En France, Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Ce détecteur consistait en un transducteur composé de fins cristaux de quartz soigneusement collés sur des plaques d'acier, appelé hydrophone, pour détecter l'écho renvoyé après avoir émis une impulsion à haute fréquence. En mesurant le temps qu'il faut pour entendre l'écho des ondes sonores rebondir sur un objet, ils ont pu calculer la distance à l'objet. Cette utilisation de la piézoélectricité dans le sonar a été un succès, et le projet a suscité un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques au fil des décennies.
Céramiques
Les matériaux piézoélectriques sont des solides qui accumulent une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. La piézoélectricité est dérivée des mots grecs πιέζειν (piezein) signifiant 'presser' ou 'presser' et ἤλεκτρον (ēlektron) signifiant 'ambre', une ancienne source de charge électrique. Les matériaux piézoélectriques sont utilisés dans une variété d'applications, y compris la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique et la génération d'électricité à haute tension.
Les matériaux piézoélectriques se trouvent dans les cristaux, la céramique, la matière biologique, les os, l'ADN et les protéines. La céramique est le matériau piézoélectrique le plus couramment utilisé dans les applications quotidiennes. Les céramiques sont fabriquées à partir d'une combinaison d'oxydes métalliques, tels que le titanate de zirconate de plomb (PZT), qui sont chauffés à des températures élevées pour former un solide. La céramique est très durable et peut résister à des températures et des pressions extrêmes.
Les céramiques piézoélectriques ont une variété d'utilisations, notamment :
• Produire des étincelles pour allumer le gaz des appareils de cuisson et de chauffage, comme les torches et les briquets.
• Génération d'ondes ultrasonores pour l'imagerie médicale.
• Production d'électricité à haute tension pour les générateurs d'horloge et les appareils électroniques.
• Génération de microbalances à utiliser dans le pesage de précision.
• Pilotage de buses ultrasonores pour focalisation ultrafine de montages optiques.
• Former la base des microscopes à sonde à balayage, qui peuvent résoudre des images à l'échelle des atomes.
• Micros pour guitares amplifiées électroniquement et déclencheurs pour batterie électronique moderne.
Les céramiques piézoélectriques sont utilisées dans un large éventail d'applications, de l'électronique grand public à l'imagerie médicale. Ils sont très durables et peuvent résister à des températures et des pressions extrêmes, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans une variété d'industries.
Matière biologique
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Il est dérivé du mot grec « piezein », qui signifie « presser ou presser », et « ēlektron », qui signifie « ambre », une ancienne source de charge électrique.
Les matières biologiques telles que les os, l'ADN et les protéines font partie des matériaux qui présentent une piézoélectricité. Cet effet est réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Des exemples de ces matériaux comprennent les cristaux de titanate de zirconate de plomb, qui génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. A l'inverse, lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, les cristaux changent de dimension statique, produisant des ondes ultrasonores par effet piézoélectrique inverse.
La découverte de la piézoélectricité a été faite par les physiciens français Jacques et Pierre Curie en 1880. Elle a depuis été exploitée pour une variété d'applications utiles, telles que :
• Production et détection de son
• Impression jet d'encre piézoélectrique
• Génération d'électricité haute tension
• Générateur d'horloge
• Appareils électroniques
• Microbalances
• Entraînement des buses à ultrasons
• Ensembles optiques à focalisation ultrafine
• Forme la base des microscopes à sonde à balayage
• Résoudre des images à l'échelle des atomes
• Micros dans les guitares amplifiées électroniquement
• Déclencheurs dans les batteries électroniques modernes
La piézoélectricité est également utilisée dans les objets du quotidien tels que les appareils de cuisson et de chauffage au gaz, les torches, les briquets, etc. L'effet pyroélectrique, qui est la production de potentiel électrique en réponse à un changement de température, a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle. S'appuyant sur les connaissances de René Haüy et Antoine César Becquerel, ils ont postulé une relation entre contrainte mécanique et charge électrique, mais leurs expériences se sont avérées peu concluantes.
La vue d'un cristal piézo dans le compensateur de Curie au Hunterian Museum en Écosse est une démonstration de l'effet piézoélectrique direct. Les frères Pierre et Jacques Curie ont combiné leur connaissance de la pyroélectricité et leur compréhension des structures cristallines sous-jacentes pour donner lieu à la prédiction de la pyroélectricité et à la prédiction du comportement cristallin. Cela a été démontré par l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz présentaient également une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique a été utilisé pour générer une tension lorsqu'il était déformé. Cet effet a été fortement exagéré par les Curie pour prédire l'effet piézoélectrique inverse. L'effet inverse a été mathématiquement déduit des principes thermodynamiques fondamentaux par Gabriel Lippmann en 1881.
Les Curie ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire jusqu'à ce qu'elle devienne un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail d'exploration et de définition des structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du "Lehrbuch der Kristallphysik" (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt.
Greffe Osseuse
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. L'os est l'un de ces matériaux qui présente ce phénomène.
L'os est un type de matière biologique composé de protéines et de minéraux, dont le collagène, le calcium et le phosphore. C'est le plus piézoélectrique de tous les matériaux biologiques et il est capable de générer une tension lorsqu'il est soumis à une contrainte mécanique.
L'effet piézoélectrique dans l'os est le résultat de sa structure unique. Il est composé d'un réseau de fibres de collagène enchâssées dans une matrice de minéraux. Lorsque l'os est soumis à des contraintes mécaniques, les fibres de collagène se déplacent, provoquant la polarisation des minéraux et générant une charge électrique.
L'effet piézoélectrique dans l'os a un certain nombre d'applications pratiques. Il est utilisé dans l'imagerie médicale, comme l'échographie et l'imagerie par rayons X, pour détecter les fractures osseuses et d'autres anomalies. Il est également utilisé dans les prothèses auditives à conduction osseuse, qui utilisent l'effet piézoélectrique pour convertir les ondes sonores en signaux électriques qui sont envoyés directement à l'oreille interne.
L'effet piézoélectrique dans l'os est également utilisé dans les implants orthopédiques, tels que les articulations artificielles et les membres prothétiques. Les implants utilisent l'effet piézoélectrique pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique, qui est ensuite utilisée pour alimenter l'appareil.
De plus, l'effet piézoélectrique dans l'os est exploré pour être utilisé dans le développement de nouveaux traitements médicaux. Par exemple, les chercheurs étudient l'utilisation de la piézoélectricité pour stimuler la croissance osseuse et réparer les tissus endommagés.
Dans l'ensemble, l'effet piézoélectrique dans l'os est un phénomène fascinant avec un large éventail d'applications pratiques. Il est utilisé dans une variété d'applications médicales et technologiques, et est exploré pour une utilisation dans le développement de nouveaux traitements.
L'ADN
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. L'ADN est l'un de ces matériaux qui présente cet effet. L'ADN est une molécule biologique présente dans tous les organismes vivants et est composé de quatre bases nucléotidiques : l'adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C) et la thymine (T).
L'ADN est une molécule complexe qui peut être utilisée pour générer une charge électrique lorsqu'elle est soumise à un stress mécanique. Cela est dû au fait que les molécules d'ADN sont composées de deux brins de nucléotides liés par des liaisons hydrogène. Lorsque ces liaisons sont rompues, une charge électrique est générée.
L'effet piézoélectrique de l'ADN a été utilisé dans diverses applications, notamment :
• Génération d'électricité pour les implants médicaux
• Détecter et mesurer les forces mécaniques dans les cellules
• Développer des capteurs à l'échelle nanométrique
• Création de biocapteurs pour le séquençage de l'ADN
• Génération d'ondes ultrasonores pour l'imagerie
L'effet piézoélectrique de l'ADN est également exploré pour son utilisation potentielle dans le développement de nouveaux matériaux, tels que les nanofils et les nanotubes. Ces matériaux pourraient être utilisés pour une variété d'applications, y compris le stockage d'énergie et la détection.
L'effet piézoélectrique de l'ADN a été largement étudié et s'est avéré très sensible au stress mécanique. Cela en fait un outil précieux pour les chercheurs et les ingénieurs qui cherchent à développer de nouveaux matériaux et technologies.
En conclusion, l'ADN est un matériau qui présente l'effet piézoélectrique, qui est la capacité d'accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Cet effet a été utilisé dans une variété d'applications, y compris les implants médicaux, les capteurs à l'échelle nanométrique et le séquençage de l'ADN. Il est également exploré pour son utilisation potentielle dans le développement de nouveaux matériaux, tels que les nanofils et les nanotubes.
Protéines
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Les matériaux piézoélectriques, tels que les protéines, les cristaux, la céramique et la matière biologique comme l'os et l'ADN, présentent cet effet. Les protéines, en particulier, sont un matériau piézoélectrique unique, car elles sont composées d'une structure complexe d'acides aminés qui peuvent être déformées pour générer une charge électrique.
Les protéines sont le type de matériau piézoélectrique le plus abondant et on les trouve sous diverses formes. On les trouve sous forme d'enzymes, d'hormones et d'anticorps, ainsi que sous forme de protéines structurelles comme le collagène et la kératine. Les protéines se trouvent également sous forme de protéines musculaires, qui sont responsables de la contraction et de la relaxation musculaires.
L'effet piézoélectrique des protéines est dû au fait qu'elles sont composées d'une structure complexe d'acides aminés. Lorsque ces acides aminés sont déformés, ils génèrent une charge électrique. Cette charge électrique peut ensuite être utilisée pour alimenter divers dispositifs, tels que des capteurs et des actionneurs.
Les protéines sont également utilisées dans une variété d'applications médicales. Par exemple, ils sont utilisés pour détecter la présence de certaines protéines dans le corps, qui peuvent être utilisées pour diagnostiquer des maladies. Ils sont également utilisés pour détecter la présence de certaines bactéries et virus, qui peuvent être utilisés pour diagnostiquer des infections.
Les protéines sont également utilisées dans une variété d'applications industrielles. Par exemple, ils sont utilisés pour créer des capteurs et des actionneurs pour une variété de processus industriels. Ils sont également utilisés pour créer des matériaux qui peuvent être utilisés dans la construction d'avions et d'autres véhicules.
En conclusion, les protéines sont un matériau piézoélectrique unique qui peut être utilisé dans une variété d'applications. Ils sont composés d'une structure complexe d'acides aminés qui peuvent être déformés pour générer une charge électrique, et ils sont utilisés dans une variété d'applications médicales et industrielles.
Récupération d'énergie avec la piézoélectricité
Dans cette section, je vais discuter de la façon dont la piézoélectricité peut être utilisée pour récolter de l'énergie. J'examinerai les diverses applications de la piézoélectricité, de l'impression à jet d'encre piézoélectrique aux générateurs d'horloge et aux microbalances. J'explorerai également l'histoire de la piézoélectricité, de sa découverte par Pierre Curie à son utilisation pendant la Seconde Guerre mondiale. Enfin, je discuterai de l'état actuel de l'industrie piézoélectrique et du potentiel de croissance future.
Impression jet d'encre piézoélectrique
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à générer une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Le mot « piézoélectricité » est dérivé des mots grecs « piezein » (presser ou presser) et « elektron » (ambre), une ancienne source de charge électrique. Les matériaux piézoélectriques, tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme l'os et l'ADN, sont utilisés dans une variété d'applications.
La piézoélectricité est utilisée pour générer de l'électricité à haute tension, comme générateur d'horloge, dans les appareils électroniques et dans les microbalances. Il est également utilisé pour piloter des buses à ultrasons et des ensembles optiques à focalisation ultrafine. L'impression à jet d'encre piézoélectrique est une application populaire de cette technologie. Il s'agit d'un type d'impression qui utilise des cristaux piézoélectriques pour générer une vibration à haute fréquence, qui est utilisée pour éjecter des gouttelettes d'encre sur une page.
La découverte de la piézoélectricité remonte à 1880, lorsque les physiciens français Jacques et Pierre Curie ont découvert l'effet. Depuis lors, l'effet piézoélectrique a été exploité pour une variété d'applications utiles. La piézoélectricité est utilisée dans les objets du quotidien tels que les appareils de cuisson et de chauffage au gaz, les torches, les briquets et les micros des guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs des batteries électroniques modernes.
La piézoélectricité est également utilisée dans la recherche scientifique. C'est la base des microscopes à sonde à balayage, qui sont utilisés pour résoudre des images à l'échelle des atomes. Il est également utilisé dans les réflectomètres à ultrasons dans le domaine temporel, qui envoient des impulsions ultrasonores dans un matériau et mesurent les réflexions pour détecter les discontinuités et trouver des défauts à l'intérieur des objets en métal coulé et en pierre.
Le développement de dispositifs et de matériaux piézoélectriques a été motivé par le besoin de meilleures performances et de processus de fabrication plus simples. Aux États-Unis, le développement des cristaux de quartz à usage commercial a été un facteur majeur de la croissance de l'industrie piézoélectrique. En revanche, les fabricants japonais ont pu partager rapidement des informations et développer de nouvelles applications, entraînant une croissance rapide du marché japonais.
La piézoélectricité a révolutionné la façon dont nous utilisons l'énergie, des objets du quotidien comme les briquets à la recherche scientifique avancée. Il s'agit d'une technologie polyvalente qui nous a permis d'explorer et de développer de nouveaux matériaux et applications, et elle continuera d'être une partie importante de nos vies pour les années à venir.
Génération d'électricité à haute tension
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux solides à accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Le mot « piézoélectricité » est dérivé des mots grecs « piezein » signifiant « presser » ou « presser » et « ēlektron » signifiant « ambre », une ancienne source de charge électrique. La piézoélectricité est une interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques dans les matériaux cristallins à symétrie d'inversion.
L'effet piézoélectrique est un processus réversible ; les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également l'effet piézoélectrique inverse, la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Par exemple, les cristaux de titanate de zirconate de plomb génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. À l'inverse, les cristaux peuvent changer de dimension statique lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, un phénomène connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse, qui est utilisé dans la production d'ondes ultrasonores.
L'effet piézoélectrique est utilisé dans une variété d'applications, y compris la génération d'électricité à haute tension. Les matériaux piézoélectriques sont utilisés dans la production et la détection du son, dans l'impression à jet d'encre piézoélectrique, dans les générateurs d'horloge, dans les appareils électroniques, dans les microbalances, dans les buses à ultrasons d'entraînement et dans les ensembles optiques à focalisation ultrafine.
La piézoélectricité est également utilisée dans des applications quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour enflammer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, dans les torches, les briquets et les matériaux à effet pyroélectrique, qui génèrent un potentiel électrique en réponse à un changement de température. Cet effet a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Haüy et Antoine César Becquerel, qui ont postulé une relation entre la contrainte mécanique et la charge électrique, bien que leurs expériences se soient avérées peu concluantes.
La connaissance combinée de la pyroélectricité et la compréhension des structures cristallines sous-jacentes ont donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité et à la capacité de prédire le comportement des cristaux. Cela a été démontré par l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz présentaient également une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique a été utilisé pour générer une tension lorsqu'il était déformé. Cela a été grandement exagéré dans la démonstration par les Curie de l'effet piézoélectrique direct.
Les frères Pierre et Jacques Curie vont ensuite obtenir la preuve quantitative de la complète réversibilité des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire, mais elle a été un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail pour explorer et définir les structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics) de Woldemar Voigt, qui décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques à l'aide d'une analyse tensorielle.
L'application pratique des dispositifs piézoélectriques a commencé avec le développement du sonar pendant la Première Guerre mondiale. En France, Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Le détecteur se composait d'un transducteur constitué de fins cristaux de quartz soigneusement collés à des plaques d'acier et d'un hydrophone pour détecter l'écho renvoyé. En émettant une impulsion à haute fréquence à partir du transducteur et en mesurant le temps nécessaire pour entendre l'écho des ondes sonores rebondissant sur un objet, ils ont pu calculer la distance de l'objet. Ils ont utilisé la piézoélectricité pour faire du sonar un succès, et le projet a créé un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques au cours des décennies suivantes.
De nouveaux matériaux piézoélectriques et de nouvelles applications pour ces matériaux ont été explorés et développés. Les appareils piézoélectriques ont trouvé leur place dans une variété de domaines, tels que les cartouches de phonographe en céramique, ce qui a simplifié la conception du lecteur et créé des tourne-disques moins chers et plus précis, moins chers à entretenir et plus faciles à construire. Le développement des transducteurs à ultrasons a permis de mesurer facilement la viscosité et l'élasticité des fluides et des solides, ce qui a permis d'énormes progrès dans la recherche sur les matériaux. Les réflectomètres à ultrasons dans le domaine temporel envoient une impulsion ultrasonique dans un matériau et mesurent les réflexions et les discontinuités pour trouver des défauts à l'intérieur des objets en métal coulé et en pierre, améliorant ainsi la sécurité structurelle.
La Seconde Guerre mondiale a vu des groupes de recherche indépendants aux États-Unis, en Russie et au Japon découvrir une nouvelle classe de matériaux synthétiques appelés fer
Générateur d'horloge
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Ce phénomène a été utilisé pour créer un certain nombre d'applications utiles, y compris des générateurs d'horloge. Les générateurs d'horloge sont des dispositifs qui utilisent la piézoélectricité pour générer des signaux électriques avec une synchronisation précise.
Les générateurs d'horloge sont utilisés dans une variété d'applications, telles que les ordinateurs, les télécommunications et les systèmes automobiles. Ils sont également utilisés dans les appareils médicaux, comme les stimulateurs cardiaques, pour assurer une synchronisation précise des signaux électriques. Les générateurs d'horloge sont également utilisés dans l'automatisation industrielle et la robotique, où une synchronisation précise est essentielle.
L'effet piézoélectrique est basé sur l'interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques dans les matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Cet effet est réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité peuvent également générer des contraintes mécaniques lorsqu'un champ électrique est appliqué. Ceci est connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse et est utilisé pour produire des ondes ultrasonores.
Les générateurs d'horloge utilisent cet effet piézoélectrique inverse pour générer des signaux électriques avec une synchronisation précise. Le matériau piézoélectrique est déformé par un champ électrique, ce qui le fait vibrer à une fréquence spécifique. Cette vibration est ensuite convertie en un signal électrique, qui est utilisé pour générer un signal de synchronisation précis.
Les générateurs d'horloge sont utilisés dans une variété d'applications, des dispositifs médicaux à l'automatisation industrielle. Ils sont fiables, précis et faciles à utiliser, ce qui en fait un choix populaire pour de nombreuses applications. La piézoélectricité est une partie importante de la technologie moderne, et les générateurs d'horloge ne sont qu'une des nombreuses applications de ce phénomène.
Appareils électroniques
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux solides à accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Ce phénomène, connu sous le nom d'effet piézoélectrique, est utilisé dans une variété d'appareils électroniques, des micros des guitares amplifiées électroniquement aux déclencheurs des batteries électroniques modernes.
La piézoélectricité est dérivée des mots grecs πιέζειν (piezein) signifiant « presser » ou « appuyer » et ἤλεκτρον (ēlektron) signifiant « ambre », une ancienne source de charge électrique. Les matériaux piézoélectriques sont des cristaux, des céramiques et des matières biologiques telles que les os et les protéines d'ADN, qui présentent l'effet piézoélectrique.
L'effet piézoélectrique est une interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques dans les matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Il s'agit d'un processus réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant l'effet piézoélectrique présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Par exemple, les cristaux de titanate de zirconate de plomb génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. À l'inverse, les cristaux peuvent changer de dimension statique lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, un phénomène connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse, qui est utilisé dans la production d'ondes ultrasonores.
La découverte de la piézoélectricité est attribuée aux physiciens français Pierre et Jacques Curie, qui ont démontré l'effet piézoélectrique direct en 1880. Leur connaissance combinée de la pyroélectricité et la compréhension des structures cristallines sous-jacentes ont donné lieu à la prédiction de l'effet pyroélectrique et à la capacité de prédire le comportement cristallin a été démontré avec l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle.
La piézoélectricité a été utilisée dans une variété d'applications quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour enflammer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets et les matériaux à effet pyroélectrique qui génèrent un potentiel électrique en réponse à un changement de température. Cela a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Haüy et Antoine César Becquerel, qui ont postulé une relation entre la contrainte mécanique et la charge électrique. Cependant, les expériences se sont révélées peu concluantes jusqu'à ce que la vue d'un cristal piézo au musée du compensateur Curie en Écosse démontre l'effet piézoélectrique direct des frères Curie.
La piézoélectricité est utilisée dans une variété d'appareils électroniques, des micros des guitares amplifiées électroniquement aux déclencheurs des batteries électroniques modernes. Il est également utilisé dans la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité haute tension, les générateurs d'horloge, les microbalances, les buses à ultrasons d'entraînement et les ensembles optiques à focalisation ultrafine. La piézoélectricité est également à la base des microscopes à sonde à balayage, qui sont utilisés pour résoudre des images à l'échelle des atomes.
Microbalances
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux solides à accumuler une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. La piézoélectricité est dérivée des mots grecs πιέζειν (piezein), qui signifie « presser » ou « presser », et ἤλεκτρον (ēlektron), qui signifie « ambre », une ancienne source de charge électrique.
La piézoélectricité est utilisée dans une variété d'applications quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour allumer le gaz pour les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets, etc. Il est également utilisé dans la production et la détection du son et dans l'impression à jet d'encre piézoélectrique.
La piézoélectricité est également utilisée pour générer de l'électricité à haute tension et constitue la base des générateurs d'horloge et des appareils électroniques tels que les microbalances. La piézoélectricité est également utilisée pour piloter des buses à ultrasons et des ensembles optiques à focalisation ultrafine.
La découverte de la piézoélectricité est attribuée aux physiciens français Jacques et Pierre Curie en 1880. Les frères Curie ont combiné leur connaissance de la pyroélectricité et leur compréhension des structures cristallines sous-jacentes pour donner naissance au concept de piézoélectricité. Ils ont pu prédire le comportement des cristaux et ont démontré l'effet dans des cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle.
L'effet piézoélectrique a été exploité pour des applications utiles, notamment la production et la détection du son. Le développement du sonar pendant la Première Guerre mondiale a été une percée majeure dans l'utilisation de la piézoélectricité. Après la Seconde Guerre mondiale, des groupes de recherche indépendants aux États-Unis, en Russie et au Japon ont découvert une nouvelle classe de matériaux synthétiques appelés ferroélectriques, qui présentaient des constantes piézoélectriques jusqu'à dix fois supérieures à celles des matériaux naturels.
Cela a conduit à d'intenses recherches et développements sur les matériaux de titanate de baryum et plus tard de titanate de zirconate de plomb, qui avaient des propriétés spécifiques pour des applications particulières. Un exemple significatif de l'utilisation de cristaux piézoélectriques a été développé aux Bell Telephone Laboratories après la Seconde Guerre mondiale.
Frederick R. Lack, travaillant dans le département d'ingénierie de radiotéléphonie, a développé un cristal taillé qui fonctionnait sur une large gamme de températures. Le cristal de Lack n'avait pas besoin des accessoires lourds des cristaux précédents, facilitant son utilisation dans les avions. Ce développement a permis aux forces aériennes alliées de s'engager dans des attaques de masse coordonnées en utilisant la radio de l'aviation.
Le développement de dispositifs et de matériaux piézoélectriques aux États-Unis a maintenu plusieurs entreprises en activité, et le développement de cristaux de quartz a été exploité commercialement. Les matériaux piézoélectriques ont depuis été utilisés dans diverses applications, notamment l'imagerie médicale, le nettoyage par ultrasons, etc.
Buse à ultrasons
La piézoélectricité est la charge électrique qui s'accumule dans certains matériaux solides tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme les os et l'ADN. Il s'agit d'une réponse à une contrainte mécanique appliquée et est dérivé des mots grecs «piezein», qui signifie «presser» ou «presser», et «elektron», qui signifie «ambre», une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique est une interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Il s'agit d'un processus réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant l'effet piézoélectrique présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Un exemple de ceci est les cristaux de titanate de zirconate de plomb, qui génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. A l'inverse, lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, les cristaux changent de dimension statique, entraînant l'effet piézoélectrique inverse, qui est la production d'ondes ultrasonores.
Les physiciens français Jacques et Pierre Curie ont découvert la piézoélectricité en 1880 et elle a depuis été exploitée pour une variété d'applications utiles, y compris la production et la détection du son. La piézoélectricité trouve également des utilisations quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets, etc.
L'effet pyroélectrique, qui est le matériau générant un potentiel électrique en réponse à un changement de température, a été étudié par Carl Linnaeus, Franz Aepinus et les connaissances du milieu du XVIIIe siècle de René Haüy et Antoine César Becquerel qui ont postulé la relation entre la contrainte mécanique et charge électrique. Les expériences pour le prouver n'ont pas été concluantes.
La vue d'un cristal piézo dans le compensateur de Curie au Hunterian Museum en Écosse est une démonstration de l'effet piézoélectrique direct par les frères Pierre et Jacques Curie. La combinaison de leurs connaissances de la pyroélectricité et de la compréhension des structures cristallines sous-jacentes a donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité et leur a permis de prédire le comportement du cristal. Cela a été démontré avec l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz présentaient également une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique a été utilisé pour générer une tension lorsqu'il était déformé. Cela a été grandement exagéré par les Curie pour prédire l'effet piézoélectrique inverse, qui a été mathématiquement déduit des principes thermodynamiques fondamentaux par Gabriel Lippmann en 1881.
Les Curie ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire, mais a été un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie dans leur travail d'exploration et de définition des structures cristallines présentant de la piézoélectricité. Cela a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt, qui décrivait les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définissait rigoureusement les constantes piézoélectriques par une analyse tensorielle.
L'application pratique des dispositifs piézoélectriques a commencé avec le sonar, qui a été développé pendant la Première Guerre mondiale. En France, Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Le détecteur consistait en un transducteur composé de fins cristaux de quartz soigneusement collés à des plaques d'acier, appelé hydrophone, pour détecter l'écho renvoyé après avoir émis une impulsion à haute fréquence. En mesurant le temps qu'il faut pour entendre l'écho des ondes sonores rebondir sur un objet, ils pourraient calculer la distance de l'objet. Cette utilisation de la piézoélectricité dans le sonar a été un succès, et le projet a suscité un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques pendant des décennies.
De nouveaux matériaux piézoélectriques et de nouvelles applications pour ces matériaux ont été explorés et développés, et les dispositifs piézoélectriques ont trouvé leur place dans des domaines tels que les cartouches de phonographe en céramique, ce qui a simplifié la conception du lecteur et créé des tourne-disques moins chers et plus précis, moins chers à entretenir et plus faciles à construire. . Le développement des transducteurs à ultrasons a permis de mesurer facilement la viscosité et l'élasticité des fluides et des solides, ce qui a permis d'énormes progrès dans la recherche sur les matériaux. Les réflectomètres à ultrasons dans le domaine temporel envoient une impulsion ultrasonique à travers un matériau et mesurent les réflexions et les discontinuités pour trouver des défauts à l'intérieur des objets en métal coulé et en pierre
Assemblages optiques à focalisation ultrafine
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à accumuler des charges électriques lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques. Il s'agit d'une interaction électromécanique linéaire entre les états électriques et mécaniques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. La piézoélectricité est un processus réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué.
La piézoélectricité a été utilisée dans une variété d'applications, y compris la production et la détection de sons et la génération d'électricité à haute tension. La piézoélectricité est également utilisée dans l'impression à jet d'encre, les générateurs d'horloge, les appareils électroniques, les microbalances, les buses à ultrasons d'entraînement et les ensembles optiques à focalisation ultrafine.
La piézoélectricité a été découverte en 1880 par les physiciens français Jacques et Pierre Curie. L'effet piézoélectrique est exploité dans des applications utiles, telles que la production et la détection de sons, et la génération d'électricité à haute tension. L'impression à jet d'encre piézoélectrique est également utilisée, ainsi que les générateurs d'horloge, les appareils électroniques, les microbalances, les buses à ultrasons d'entraînement et les ensembles optiques à focalisation ultrafine.
La piézoélectricité a trouvé sa place dans les utilisations quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour allumer le gaz pour les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets et les matériaux à effet pyroélectrique qui génèrent un potentiel électrique en réponse à un changement de température. Cet effet a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Haüy et Antoine César Becquerel qui ont postulé une relation entre la contrainte mécanique et la charge électrique. Les expériences se sont révélées peu concluantes.
La vue d'un cristal piézo dans le compensateur de Curie au Hunterian Museum en Écosse est une démonstration de l'effet piézoélectrique direct par les frères Pierre et Jacques Curie. Combinés à leur connaissance de la pyroélectricité et à leur compréhension des structures cristallines sous-jacentes, ils ont donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité et à la capacité de prédire le comportement des cristaux. Cela a été démontré dans l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle.
Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté, le quartz et le sel de Rochelle présentaient une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique a été utilisé pour générer une tension lorsqu'il était déformé, bien que le changement de forme ait été grandement exagéré. Les Curies ont prédit l'effet piézoélectrique inverse, et l'effet inverse a été mathématiquement déduit des principes thermodynamiques fondamentaux par Gabriel Lippmann en 1881. Les Curies ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète de l'électro- déformations élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques.
Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire jusqu'à ce qu'elle devienne un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail pour explorer et définir les structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt. Celui-ci décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques à l'aide d'une analyse tensorielle pour l'application pratique des dispositifs piézoélectriques.
Le développement du sonar a été un projet réussi qui a créé un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques. Des décennies plus tard, de nouveaux matériaux piézoélectriques et de nouvelles applications pour ces matériaux ont été explorés et développés. Les dispositifs piézoélectriques ont trouvé leur place dans une variété de domaines, tels que les cartouches de phonographe en céramique, qui ont simplifié la conception des lecteurs et rendu les tourne-disques moins chers et plus faciles à entretenir et à construire. Le développement des transducteurs à ultrasons a permis de mesurer facilement la viscosité et l'élasticité des fluides et des solides, ce qui a permis d'énormes progrès dans la recherche sur les matériaux. Les réflectomètres à ultrasons dans le domaine temporel envoient une impulsion ultrasonique dans un matériau et mesurent les réflexions et les discontinuités pour trouver des défauts à l'intérieur des objets en métal coulé et en pierre, améliorant ainsi la sécurité structurelle.
Les débuts du domaine des intérêts de la piézoélectricité ont été garantis par les brevets rentables de nouveaux matériaux développés à partir de cristaux de quartz, qui ont été commercialement exploités comme matériau piézoélectrique. Les scientifiques ont recherché des matériaux plus performants et, malgré les progrès des matériaux et la maturation des processus de fabrication, le marché américain n'a pas connu une croissance rapide. En revanche, les fabricants japonais ont rapidement partagé des informations et de nouvelles applications pour la croissance de l'industrie piézoélectrique aux États-Unis ont souffert contrairement aux fabricants japonais.
Moteurs piézoélectriques
Dans cette section, je parlerai de la façon dont la piézoélectricité est utilisée dans la technologie moderne. Des microscopes à sonde à balayage capables de résoudre des images à l'échelle des atomes aux micros pour guitares amplifiées électroniquement et déclencheurs pour batteries électroniques modernes, la piézoélectricité est devenue partie intégrante de nombreux appareils. J'explorerai l'histoire de la piézoélectricité et comment elle a été utilisée dans une variété d'applications.
Formes de base des microscopes à sonde à balayage
La piézoélectricité est la charge électrique qui s'accumule dans certains matériaux solides, tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme les os et l'ADN. C'est la réponse à une contrainte mécanique appliquée, et le mot piézoélectricité vient du mot grec πιέζειν (piezein) qui signifie « presser » ou « presser » et ἤλεκτρον (ēlektron) qui signifie « ambre », une ancienne source de charge électrique.
Les moteurs piézoélectriques sont des dispositifs qui utilisent l'effet piézoélectrique pour générer un mouvement. Cet effet est l'interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques dans les matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Il s'agit d'un processus réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant l'effet piézoélectrique présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Des exemples de matériaux qui génèrent une piézoélectricité mesurable sont les cristaux de titanate de zirconate de plomb.
L'effet piézoélectrique est exploité dans des applications utiles, telles que la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité haute tension, les générateurs d'horloge et les dispositifs électroniques tels que les microbalances et les buses à ultrasons pour les ensembles optiques à focalisation ultrafine. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui sont utilisés pour résoudre des images à l'échelle des atomes.
La piézoélectricité a été découverte en 1880 par les physiciens français Jacques et Pierre Curie. La vue d'un cristal piézo et du compensateur de Curie peut être vue au Hunterian Museum en Ecosse, qui est une démonstration de l'effet piézoélectrique direct par les frères Pierre et Jacques Curie.
La combinaison de leur connaissance de la pyroélectricité et de leur compréhension des structures cristallines sous-jacentes a donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité, ce qui leur a permis de prédire le comportement du cristal. Cela a été démontré par l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté, le quartz et le sel de Rochelle présentaient une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique était utilisé pour générer une tension lorsqu'il était déformé, bien que cela ait été grandement exagéré par les Curies.
Ils ont également prédit l'effet piézoélectrique inverse, et cela a été mathématiquement déduit des principes thermodynamiques fondamentaux par Gabriel Lippmann en 1881. Les Curies ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète de l'électro-élasto- déformations mécaniques dans les cristaux piézoélectriques.
Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire jusqu'à ce qu'elle devienne un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail pour explorer et définir les structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics) de Woldemar Voigt, qui décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques et l'analyse tensorielle.
Cela a conduit à l'application pratique d'appareils piézoélectriques, tels que le sonar, qui a été développé pendant la Première Guerre mondiale. En France, Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Ce détecteur se composait d'un transducteur constitué de minces cristaux de quartz soigneusement collés à des plaques d'acier et d'un hydrophone pour détecter l'écho renvoyé après avoir émis une impulsion à haute fréquence du transducteur. En mesurant le temps nécessaire pour entendre l'écho des ondes sonores rebondissant sur un objet, ils ont pu calculer la distance de l'objet. Ils ont utilisé la piézoélectricité pour faire de ce sonar un succès, et le projet a suscité un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques pendant des décennies.
De nouveaux matériaux piézoélectriques et de nouvelles applications pour ces matériaux ont été explorés et développés, et les dispositifs piézoélectriques ont trouvé leur place dans de nombreux domaines, tels que les cartouches de phonographe en céramique, ce qui a simplifié la conception du lecteur et créé des tourne-disques moins chers et plus précis, moins chers à entretenir et plus faciles. construire. Le développement des transducteurs à ultrasons a permis de mesurer facilement la viscosité et l'élasticité des fluides et des solides, ce qui a permis d'énormes progrès dans la recherche sur les matériaux. Les réflectomètres à ultrasons dans le domaine temporel envoient une impulsion ultrasonique dans un matériau et mesurent les réflexions et les discontinuités pour trouver des défauts à l'intérieur des objets en métal coulé et en pierre, améliorant ainsi la sécurité structurelle.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, des groupes de recherche indépendants aux États-Unis
Résoudre des images à l'échelle des atomes
La piézoélectricité est la charge électrique qui s'accumule dans certains matériaux solides tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme les os et l'ADN. C'est une réponse à une contrainte mécanique appliquée et est dérivé du mot grec «piezein», qui signifie presser ou presser. L'effet piézoélectrique résulte de l'interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques dans les matériaux cristallins à symétrie d'inversion.
La piézoélectricité est un processus réversible, et les matériaux présentant l'effet piézoélectrique présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Des exemples de ceci incluent les cristaux de titanate de zirconate de plomb, qui génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. À l'inverse, les cristaux changent de dimension statique lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse et utilisé dans la production d'ondes ultrasonores.
Les physiciens français Jacques et Pierre Curie ont découvert la piézoélectricité en 1880. L'effet piézoélectrique a été exploité pour une variété d'applications utiles, y compris la production et la détection de son, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité à haute tension, les générateurs d'horloge et les appareils électroniques comme microbalances et piloter des buses à ultrasons. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui sont utilisés pour résoudre des images à l'échelle des atomes.
La piézoélectricité est également utilisée dans des applications quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets, etc. L'effet pyroélectrique, qui est un matériau qui génère un potentiel électrique en réponse à un changement de température, a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle. S'appuyant sur les connaissances de René Haüy et Antoine César Becquerel, ils ont postulé une relation entre contrainte mécanique et charge électrique, mais leurs expériences se sont avérées peu concluantes.
Les visiteurs du Hunterian Museum de Glasgow peuvent voir un compensateur de Curie à cristal piézo, une démonstration de l'effet piézoélectrique direct par les frères Pierre et Jacques Curie. Combinés à leur connaissance de la pyroélectricité et à leur compréhension des structures cristallines sous-jacentes, ils ont donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité et à la capacité de prédire le comportement des cristaux. Cela a été démontré par l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté, le quartz et le sel de Rochelle présentaient une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique génère une tension lorsqu'il est déformé, bien que le changement de forme soit grandement exagéré. Les Curie ont pu prédire l'effet piézoélectrique inverse, et l'effet inverse a été mathématiquement déduit des principes thermodynamiques fondamentaux par Gabriel Lippmann en 1881.
Les Curie ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire, mais elle a été un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail d'exploration et de définition des structures cristallines présentant de la piézoélectricité a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt.
Micros Guitares amplifiées électroniquement
Les moteurs piézoélectriques sont des moteurs électriques qui utilisent l'effet piézoélectrique pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique. L'effet piézoélectrique est la capacité de certains matériaux à générer une charge électrique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique. Les moteurs piézoélectriques sont utilisés dans une variété d'applications, allant de l'alimentation de petits appareils tels que des montres et des horloges à l'alimentation de machines plus grandes telles que des robots et des équipements médicaux.
Les moteurs piézoélectriques sont utilisés dans les micros des guitares amplifiées électroniquement. Ces micros utilisent l'effet piézoélectrique pour convertir les vibrations des cordes de la guitare en un signal électrique. Ce signal est ensuite amplifié et envoyé à un amplificateur, qui produit le son de la guitare. Les micros piézoélectriques sont également utilisés dans les batteries électroniques modernes, où ils sont utilisés pour détecter les vibrations des peaux de batterie et les convertir en un signal électrique.
Les moteurs piézoélectriques sont également utilisés dans les microscopes à sonde à balayage, qui utilisent l'effet piézoélectrique pour déplacer une minuscule sonde sur une surface. Cela permet au microscope de résoudre des images à l'échelle des atomes. Les moteurs piézoélectriques sont également utilisés dans les imprimantes à jet d'encre, où ils sont utilisés pour déplacer la tête d'impression d'avant en arrière sur la page.
Les moteurs piézoélectriques sont utilisés dans une variété d'autres applications, y compris les dispositifs médicaux, les composants automobiles et l'électronique grand public. Ils sont également utilisés dans des applications industrielles, telles que la production de pièces de précision et l'assemblage de composants complexes. L'effet piézoélectrique est également utilisé dans la production d'ondes ultrasonores, qui sont utilisées en imagerie médicale et dans la détection de défauts dans les matériaux.
Dans l'ensemble, les moteurs piézoélectriques sont utilisés dans un large éventail d'applications, de l'alimentation de petits appareils à l'alimentation de machines plus grandes. Ils sont utilisés dans les micros, les guitares amplifiées électroniquement, les batteries électroniques modernes, les microscopes à sonde à balayage, les imprimantes à jet d'encre, les dispositifs médicaux, les composants automobiles et l'électronique grand public. L'effet piézoélectrique est également utilisé dans la production d'ondes ultrasonores et dans la détection de défauts dans les matériaux.
Déclenche les batteries électroniques modernes
La piézoélectricité est la charge électrique qui s'accumule dans certains matériaux solides tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme les os et l'ADN. C'est la réponse de ces matériaux aux contraintes mécaniques appliquées. Le mot piézoélectricité est dérivé du mot grec "piezein", qui signifie "serrer ou presser", et du mot "elektron", qui signifie "ambre", une ancienne source de charge électrique.
Les moteurs piézoélectriques sont des dispositifs qui utilisent l'effet piézoélectrique pour générer un mouvement. Cet effet résulte de l'interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Il s'agit d'un processus réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant l'effet piézoélectrique présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Un exemple de ceci est les cristaux de titanate de zirconate de plomb, qui génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. A l'inverse, lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, les cristaux changent de dimension statique, produisant des ondes ultrasonores.
Les moteurs piézoélectriques sont utilisés dans une variété d'applications quotidiennes, telles que :
• Génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage
• Torches, briquets et matériaux à effet pyroélectrique
• Génération de potentiel électrique en réponse aux changements de température
• Production et détection de son
• Impression jet d'encre piézoélectrique
• Génération d'électricité haute tension
• Générateur d'horloge et appareils électroniques
• Microbalances
• Piloter des buses ultrasoniques et des ensembles optiques à focalisation ultrafine
• Forme la base des microscopes à sonde à balayage
• Résoudre des images à l'échelle des atomes
• Micros pour guitares amplifiées électroniquement
• Déclenche les batteries électroniques modernes.
Modélisation électromécanique des transducteurs piézoélectriques
Dans cette section, j'explorerai la modélisation électromécanique des transducteurs piézoélectriques. J'examinerai l'histoire de la découverte de la piézoélectricité, les expériences qui ont prouvé son existence et le développement des dispositifs et des matériaux piézoélectriques. Je discuterai également des contributions des physiciens français Pierre et Jacques Curie, Carl Linnaeus et Franz Aepinus, René Hauy et Antoine Cesar Becquerel, Gabriel Lippmann et Woldemar Voigt.
Physiciens français Pierre et Jacques Curie
La piézoélectricité est un phénomène électromécanique où la charge électrique s'accumule dans certains matériaux solides tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme l'os et l'ADN. Cette charge est générée en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Le mot « piézoélectricité » est dérivé du mot grec « piezein », qui signifie « presser ou presser », et « elektron », qui signifie « ambre », une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique résulte d'une interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques dans les matériaux à symétrie d'inversion. Cet effet est réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant l'effet piézoélectrique présentent également l'effet piézoélectrique inverse, où une génération interne de contrainte mécanique est produite en réponse à un champ électrique appliqué. Par exemple, les cristaux de titanate de zirconate de plomb génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. A l'inverse, lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, les cristaux changent de dimension statique, produisant des ondes ultrasonores dans le processus connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse.
En 1880, les physiciens français Pierre et Jacques Curie ont découvert l'effet piézoélectrique et il a depuis été exploité pour une variété d'applications utiles, y compris la production et la détection de son, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité à haute tension, les générateurs d'horloge et l'électronique. des dispositifs tels que des microbalances et des buses à ultrasons d'entraînement pour des ensembles optiques à focalisation ultrafine. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui peuvent résoudre des images à l'échelle des atomes. La piézoélectricité est également utilisée dans les micros des guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs des batteries électroniques modernes.
La piézoélectricité trouve également des utilisations quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets, etc. L'effet pyroélectrique, où un matériau génère un potentiel électrique en réponse à un changement de température, a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Hauy et Antoine César Becquerel, qui postulaient une relation entre contrainte mécanique et charge électrique, bien que leurs expériences se soient révélées peu concluantes.
En combinant leur connaissance de la pyroélectricité avec une compréhension des structures cristallines sous-jacentes, les Curie ont pu donner lieu à la prédiction de la pyroélectricité et prédire le comportement des cristaux. Cela a été démontré dans l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz présentaient également une piézoélectricité. Un disque piézoélectrique génère une tension lorsqu'il est déformé, bien que cela soit grandement exagéré dans la démonstration des Curies. Ils ont également pu prédire l'effet piézoélectrique inverse et le déduire mathématiquement des principes thermodynamiques fondamentaux de Gabriel Lippmann en 1881.
Les Curie ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Dans les décennies qui suivirent, la piézoélectricité resta une curiosité de laboratoire jusqu'à ce qu'elle devienne un outil indispensable dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail d'exploration et de définition des structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du "Lehrbuch der Kristallphysik" (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt.
Des expériences se sont avérées non concluantes
La piézoélectricité est un phénomène électromécanique dans lequel une charge électrique s'accumule dans certains matériaux solides, tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme l'os et l'ADN. C'est la réponse à une contrainte mécanique appliquée, et le mot « piézoélectricité » est dérivé des mots grecs « piezein », qui signifie « presser ou presser », et « ēlektron », qui signifie « ambre », une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique résulte de l'interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. C'est un processus réversible; les matériaux présentant l'effet piézoélectrique présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne de contraintes mécaniques résultant d'un champ électrique appliqué. Par exemple, les cristaux de titanate de zirconate de plomb génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. Inversement, les cristaux peuvent changer de dimension statique lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse, qui est utilisé dans la production d'ondes ultrasonores.
Les physiciens français Pierre et Jacques Curie ont découvert la piézoélectricité en 1880. Elle a depuis été exploitée pour une variété d'applications utiles, notamment la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité à haute tension, les générateurs d'horloge et les appareils électroniques comme les microbalances. , entraînent des buses à ultrasons et des ensembles optiques à focalisation ultrafine. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui peuvent résoudre des images à l'échelle des atomes. La piézoélectricité est également utilisée dans les micros des guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs des batteries électroniques modernes.
La piézoélectricité trouve des utilisations quotidiennes dans la génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets, etc. L'effet pyroélectrique, dans lequel un matériau génère un potentiel électrique en réponse à un changement de température, a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Hauy et Antoine César Becquerel, qui postulaient une relation entre contrainte mécanique et charge électrique. Les expériences se sont révélées peu concluantes.
La connaissance combinée de la pyroélectricité et la compréhension des structures cristallines sous-jacentes ont donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité et à la capacité de prédire le comportement des cristaux. Cela a été démontré dans l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz présentaient également une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique a été utilisé pour générer une tension lorsqu'il était déformé. Cela a été grandement exagéré dans la démonstration par les Curie de l'effet piézoélectrique direct.
Les frères Pierre et Jacques Curie ont prédit l'effet piézoélectrique inverse, et l'effet inverse a été mathématiquement déduit des principes thermodynamiques fondamentaux par Gabriel Lippmann en 1881. Les Curies ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont continué à obtenir une preuve quantitative de la complète réversibilité des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques.
Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire, mais elle a été un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail pour explorer et définir les structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt. Celui-ci décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques à l'aide d'une analyse tensorielle. Il s'agissait de la première application pratique des transducteurs piézoélectriques et le sonar a été développé pendant la Première Guerre mondiale. En France, Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons.
Carl Linnaeus et Franz Aepinus
La piézoélectricité est un phénomène électromécanique dans lequel une charge électrique s'accumule dans certains matériaux solides tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme l'os et l'ADN. Cette charge est générée en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Le mot piézoélectricité vient des mots grecs πιέζειν (piezein) signifiant « presser ou presser » et ἤλεκτρον (ēlektron) signifiant « ambre », une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique résulte d'une interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Cet effet est réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également l'effet piézoélectrique inverse, qui est la génération interne d'une contrainte mécanique résultant d'un champ électrique appliqué. Par exemple, les cristaux de titanate de zirconate de plomb génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. À l'inverse, les cristaux peuvent changer de dimension statique lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse et utilisé dans la production d'ondes ultrasonores.
En 1880, les physiciens français Jacques et Pierre Curie ont découvert l'effet piézoélectrique et il a depuis été exploité pour de nombreuses applications utiles, notamment la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité à haute tension, les générateurs d'horloge, les appareils électroniques, les microbalances. , entraînent des buses à ultrasons et des ensembles optiques à focalisation ultrafine. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui sont utilisés pour résoudre des images à l'échelle des atomes. La piézoélectricité est également utilisée dans les micros des guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs des batteries électroniques modernes.
La piézoélectricité se retrouve également dans les utilisations quotidiennes, telles que la génération d'étincelles pour enflammer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, les torches, les briquets et l'effet pyroélectrique, qui se produit lorsqu'un matériau génère un potentiel électrique en réponse à un changement de température. Cet effet a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Hauy et Antoine César Becquerel, qui ont postulé une relation entre la contrainte mécanique et la charge électrique, bien que leurs expériences se soient avérées peu concluantes.
La vue d'un cristal piézo dans le compensateur de Curie au Hunterian Museum en Ecosse est une démonstration de l'effet piézoélectrique direct par les frères Pierre et Jacques Curie. La combinaison de leur connaissance de la pyroélectricité avec une compréhension des structures cristallines sous-jacentes a donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité et à la capacité de prédire le comportement du cristal. Cela a été démontré par l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz du sel de Rochelle présentaient une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique génère une tension lorsqu'il est déformé, bien que cela soit grandement exagéré dans la démonstration des Curies.
La prédiction de l'effet piézoélectrique inverse et sa déduction mathématique à partir des principes thermodynamiques fondamentaux ont été faites par Gabriel Lippmann en 1881. Les Curies ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète de l'électro-élasto- déformations mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire jusqu'à ce qu'elle devienne un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie, qui l'ont utilisée pour explorer et définir des structures cristallines présentant de la piézoélectricité. Cela a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt, qui décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques à l'aide d'une analyse tensorielle.
Cette application pratique des transducteurs piézoélectriques a conduit au développement du sonar pendant la Première Guerre mondiale. En France, Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Le détecteur se composait d'un transducteur constitué de minces cristaux de quartz soigneusement collés à des plaques d'acier et d'un hydrophone pour détecter l'écho renvoyé après avoir émis une impulsion à haute fréquence du transducteur. En mesurant le temps nécessaire pour entendre l'écho des ondes sonores rebondissant sur un objet, ils ont pu calculer la distance de l'objet. Ils ont utilisé la piézoélectricité pour faire de ce sonar un succès, et le projet a suscité un développement et un intérêt intenses pour les dispositifs piézoélectriques.
René Hauy et Antoine César Becquerel
La piézoélectricité est un phénomène électromécanique qui se produit lorsque certains matériaux solides, tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme l'os et l'ADN, accumulent une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée. La piézoélectricité est dérivée du mot grec « piezein », qui signifie « presser ou presser », et « elektron », qui signifie « ambre », une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique résulte d'une interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques dans les matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Cet effet est réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant l'effet piézoélectrique présentent également l'effet piézoélectrique inverse, ou génération interne de contrainte mécanique résultant d'un champ électrique appliqué. Par exemple, les cristaux de titanate de zirconate de plomb génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. A l'inverse, les cristaux peuvent changer de dimension statique lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, entraînant l'effet piézoélectrique inverse et la production d'ondes ultrasonores.
Les physiciens français Pierre et Jacques Curie ont découvert l'effet piézoélectrique en 1880. Cet effet a été exploité pour une variété d'applications utiles, y compris la production et la détection de son, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité à haute tension, les générateurs d'horloge et les appareils électroniques. comme les microbalances, les buses à ultrasons et les assemblages optiques à focalisation ultrafine. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui peuvent résoudre des images à l'échelle des atomes. La piézoélectricité est également utilisée dans les micros des guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs des batteries électroniques modernes.
L'effet piézoélectrique a été étudié pour la première fois par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Hauy et Antoine Cesar Becquerel, qui ont établi une relation entre la contrainte mécanique et la charge électrique. Cependant, les expériences se sont révélées peu concluantes. Combiné avec la connaissance de la pyroélectricité et la compréhension des structures cristallines sous-jacentes, cela a donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité et à la capacité de prédire le comportement des cristaux. Cela a été démontré dans l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz présentaient également une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique a été utilisé pour générer une tension lorsqu'il était déformé. Cet effet a été grandement exagéré dans la démonstration des Curies au Museum of Scotland, qui a montré l'effet piézoélectrique direct.
Les frères Pierre et Jacques Curie vont ensuite obtenir la preuve quantitative de la complète réversibilité des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire, jusqu'à ce qu'elle devienne un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Ce travail a exploré et défini les structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité, aboutissant à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt.
Les Curie ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse et ont ensuite déduit mathématiquement les principes thermodynamiques fondamentaux de l'effet inverse. Cela a été fait par Gabriel Lippmann en 1881. La piézoélectricité a ensuite été utilisée pour développer un sonar pendant la Première Guerre mondiale. En France, Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Ce détecteur se composait d'un transducteur constitué de fins cristaux de quartz soigneusement collés à des plaques d'acier et d'un hydrophone pour détecter l'écho renvoyé. En émettant une impulsion à haute fréquence à partir du transducteur et en mesurant le temps nécessaire pour entendre l'écho des ondes sonores rebondissant sur un objet, ils ont pu calculer la distance jusqu'à l'objet.
L'utilisation de cristaux piézoélectriques a été développée par Bell Telephone Laboratories après la Seconde Guerre mondiale. Frederick R. Lack, travaillant dans le département d'ingénierie de la radiotéléphonie, a développé un cristal taillé qui pouvait fonctionner sur une large gamme de températures. Le cristal de Lack n'avait pas besoin des accessoires lourds des cristaux précédents, facilitant son utilisation dans les avions. Ce développement a permis aux forces aériennes alliées de s'engager dans des attaques de masse coordonnées, en utilisant la radio de l'aviation. Le développement de dispositifs et de matériaux piézoélectriques aux États-Unis a maintenu les entreprises dans le développement des débuts de la guerre dans le domaine, et les intérêts dans l'obtention de brevets rentables pour de nouveaux matériaux se sont développés. Les cristaux de quartz ont été exploités commercialement en tant que matériau piézoélectrique et les scientifiques ont recherché des matériaux plus performants. Malgré les progrès des matériaux et la maturation des procédés de fabrication, les États-Unis
Gabriel Lipmann
La piézoélectricité est un phénomène électromécanique dans lequel une charge électrique s'accumule dans certains matériaux solides, tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme l'os et l'ADN. C'est le résultat d'une interaction entre les états mécaniques et électriques dans les matériaux à symétrie d'inversion. La piézoélectricité a été découverte pour la première fois par les physiciens français Pierre et Jacques Curie en 1880.
La piézoélectricité a été exploitée pour une variété d'applications utiles, y compris la production et la détection de son, l'impression à jet d'encre piézoélectrique et la génération d'électricité à haute tension. La piézoélectricité est dérivée des mots grecs πιέζειν (piezein) signifiant « presser ou presser » et ἤλεκτρον (ēlektron) signifiant « ambre », une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique est réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également l'effet piézoélectrique inverse, dans lequel la génération interne de contraintes mécaniques résulte de l'application d'un champ électrique. Par exemple, les cristaux de titanate de zirconate de plomb génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. Inversement, les cristaux peuvent changer leur dimension statique lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, un processus connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse. Ce processus peut être utilisé pour produire des ondes ultrasonores.
L'effet piézoélectrique est étudié depuis le milieu du XVIIIe siècle, lorsque Carl Linnaeus et Franz Aepinus, s'appuyant sur les connaissances de René Hauy et Antoine César Becquerel, ont postulé une relation entre contrainte mécanique et charge électrique. Cependant, les expériences se sont révélées peu concluantes. Ce n'est que lorsque la connaissance combinée de la pyroélectricité et une compréhension des structures cristallines sous-jacentes ont donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité que les chercheurs ont pu prédire le comportement des cristaux. Cela a été démontré par l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle.
Gabriel Lippmann, en 1881, déduit mathématiquement les principes thermodynamiques fondamentaux de l'effet piézoélectrique inverse. Les Curie ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques.
Pendant des décennies, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire jusqu'à ce qu'elle devienne un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre et Marie Curie. Leur travail pour explorer et définir les structures cristallines qui présentaient de la piézoélectricité a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt. Celui-ci décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques avec une analyse tensorielle.
L'application pratique des dispositifs piézoélectriques a commencé avec le développement du sonar pendant la Première Guerre mondiale. Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Ce détecteur se composait d'un transducteur constitué de fins cristaux de quartz soigneusement collés à des plaques d'acier et d'un hydrophone pour détecter l'écho renvoyé. En émettant une impulsion à haute fréquence à partir du transducteur et en mesurant le temps nécessaire pour entendre l'écho des ondes sonores rebondissant sur un objet, ils ont pu calculer la distance jusqu'à l'objet. Cette utilisation de la piézoélectricité pour le sonar a été un succès et le projet a créé un intérêt de développement intense pour les dispositifs piézoélectriques. Au fil des décennies, de nouveaux matériaux piézoélectriques et de nouvelles applications pour ces matériaux ont été explorés et développés. Les dispositifs piézoélectriques ont trouvé leur place dans une variété de domaines, des cartouches de phonographe en céramique qui simplifiaient la conception des lecteurs et rendaient les tourne-disques précis et bon marché moins chers à entretenir et plus faciles à construire, au développement de transducteurs à ultrasons qui permettaient de mesurer facilement la viscosité et l'élasticité des fluides. et des solides, entraînant d'énormes progrès dans la recherche sur les matériaux. Les réflectomètres à ultrasons dans le domaine temporel envoient une impulsion ultrasonique dans un matériau et mesurent les réflexions et les discontinuités pour trouver des défauts à l'intérieur des objets en métal coulé et en pierre, améliorant ainsi la sécurité structurelle.
Après la Seconde Guerre mondiale, des groupes de recherche indépendants aux États-Unis, en Russie et au Japon ont découvert une nouvelle classe de matériaux synthétiques appelés ferroélectriques qui présentaient des constantes piézoélectriques jusqu'à dix fois supérieures à celles des matériaux naturels. Cela a conduit à des recherches intenses pour développer le titanate de baryum, et plus tard le titanate de zirconate de plomb, des matériaux aux propriétés spécifiques pour des applications particulières. Un exemple significatif de l'utilisation de cristaux piézoélectriques a été développé
Woldemar Voigt
La piézoélectricité est un phénomène électromécanique dans lequel une charge électrique s'accumule dans certains matériaux solides, tels que les cristaux, la céramique et la matière biologique comme l'os et l'ADN. Cette charge est générée en réponse à une contrainte mécanique appliquée. Le mot piézoélectricité est dérivé du mot grec « piezein », qui signifie « presser ou presser », et « elektron », qui signifie « ambre », une ancienne source de charge électrique.
L'effet piézoélectrique résulte d'une interaction électromécanique linéaire entre les états mécaniques et électriques des matériaux cristallins à symétrie d'inversion. Cet effet est réversible, ce qui signifie que les matériaux présentant une piézoélectricité présentent également un effet piézoélectrique inverse, où la génération interne de contraintes mécaniques résulte d'un champ électrique appliqué. Par exemple, les cristaux de titanate de zirconate de plomb génèrent une piézoélectricité mesurable lorsque leur structure statique est déformée par rapport à sa dimension d'origine. À l'inverse, les cristaux peuvent changer de dimension statique lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, un phénomène connu sous le nom d'effet piézoélectrique inverse, qui est utilisé dans la production d'ondes ultrasonores.
Les physiciens français Pierre et Jacques Curie ont découvert la piézoélectricité en 1880. L'effet piézoélectrique a depuis été exploité pour une variété d'applications utiles, notamment la production et la détection de sons, l'impression à jet d'encre piézoélectrique, la génération d'électricité haute tension, les générateurs d'horloge et les appareils électroniques. comme les microbalances et les buses à ultrasons pour la focalisation ultrafine des ensembles optiques. Il constitue également la base des microscopes à sonde à balayage, qui peuvent résoudre des images à l'échelle des atomes. De plus, les micros des guitares amplifiées électroniquement et les déclencheurs des batteries électroniques modernes utilisent l'effet piézoélectrique.
La piézoélectricité trouve également des utilisations quotidiennes dans la génération d'étincelles pour allumer le gaz dans les appareils de cuisson et de chauffage, dans les torches, les briquets, etc. L'effet pyroélectrique, où un matériau génère un potentiel électrique en réponse à un changement de température, a été étudié par Carl Linnaeus et Franz Aepinus au milieu du XVIIIe siècle, en s'appuyant sur les connaissances de René Hauy et Antoine Cesar Becquerel, qui ont postulé une relation entre la mécanique stress et charge électrique. Les expériences visant à prouver cette relation se sont révélées peu concluantes.
La vue d'un cristal piézo dans le compensateur de Curie au Hunterian Museum en Ecosse est une démonstration de l'effet piézoélectrique direct par les frères Pierre et Jacques Curie. La combinaison de leur connaissance de la pyroélectricité avec une compréhension des structures cristallines sous-jacentes a donné lieu à la prédiction de la pyroélectricité, ce qui leur a permis de prédire le comportement cristallin qu'ils ont démontré sous l'effet de cristaux tels que la tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne et le sel de Rochelle. . Le tartrate de sodium et de potassium tétrahydraté et le quartz présentaient également une piézoélectricité, et un disque piézoélectrique a été utilisé pour générer une tension lorsqu'il était déformé. Ce changement de forme a été grandement exagéré dans la démonstration des Curies, et ils ont ensuite prédit l'effet piézoélectrique inverse. L'effet inverse a été mathématiquement déduit des principes thermodynamiques fondamentaux par Gabriel Lippmann en 1881.
Les Curie ont immédiatement confirmé l'existence de l'effet inverse, et ont ensuite obtenu la preuve quantitative de la réversibilité complète des déformations électro-élasto-mécaniques dans les cristaux piézoélectriques. Dans les décennies qui ont suivi, la piézoélectricité est restée une curiosité de laboratoire, jusqu'à ce qu'elle devienne un outil essentiel dans la découverte du polonium et du radium par Pierre Marie Curie, qui l'a utilisé pour explorer et définir des structures cristallines présentant de la piézoélectricité. Cela a abouti à la publication du Lehrbuch der Kristallphysik (Manuel de physique du cristal) de Woldemar Voigt, qui décrit les classes de cristaux naturels capables de piézoélectricité et définit rigoureusement les constantes piézoélectriques à l'aide d'une analyse tensorielle.
Cela a conduit à l'application pratique d'appareils piézoélectriques, tels que le sonar, qui a été développé pendant la Première Guerre mondiale. En France, Paul Langevin et ses collègues ont développé un détecteur de sous-marin à ultrasons. Ce détecteur se composait d'un transducteur constitué de minces cristaux de quartz soigneusement collés à des plaques d'acier et d'un hydrophone pour détecter l'écho renvoyé après avoir émis une impulsion à haute fréquence du transducteur. En mesurant le temps qu'il faut pour entendre l'écho des ondes sonores rebondir sur un objet, ils pourraient calculer la distance à l'objet. Ils ont utilisé la piézoélectricité pour faire de ce sonar un succès, et le projet a suscité un développement et un intérêt intenses.
Relations importantes
- Actionneurs piézoélectriques : Les actionneurs piézoélectriques sont des dispositifs qui convertissent l'énergie électrique en mouvement mécanique. Ils sont couramment utilisés dans la robotique, les dispositifs médicaux et d'autres applications où un contrôle précis du mouvement est requis.
- Capteurs piézoélectriques : Les capteurs piézoélectriques sont utilisés pour mesurer des paramètres physiques tels que la pression, l'accélération et les vibrations. Ils sont souvent utilisés dans des applications industrielles et médicales, ainsi que dans l'électronique grand public.
- Piézoélectricité dans la nature : La piézoélectricité est un phénomène naturel dans certains matériaux et se retrouve dans de nombreux organismes vivants. Il est utilisé par certains organismes pour détecter leur environnement et pour communiquer avec d'autres organismes.
Conclusion
La piézoélectricité est un phénomène étonnant qui a été utilisé dans une variété d'applications, du sonar aux cartouches de phonographe. Il a été étudié depuis le milieu des années 1800 et a été utilisé à bon escient dans le développement de la technologie moderne. Ce billet de blog a exploré l'histoire et les utilisations de la piézoélectricité, et a souligné l'importance de ce phénomène dans le développement de la technologie moderne. Pour ceux qui souhaitent en savoir plus sur la piézoélectricité, cet article est un excellent point de départ.
Je suis Joost Nusselder, le fondateur de Neaera et un spécialiste du marketing de contenu, papa, et j'adore essayer de nouveaux équipements avec la guitare au cœur de ma passion, et avec mon équipe, je crée des articles de blog approfondis depuis 2020 pour aider les lecteurs fidèles avec des conseils d'enregistrement et de guitare.
