Matériaux piézoélectriques existent depuis la fin des années 80 et ont ouvert la voie à de nombreuses inventions révolutionnaires. Servir sous la forme de RÊVER pendant la guerre mondiale, ces matériaux ont maintenant attiré l'attention des inventeurs pour leur caractéristiques mystiques . Réseaux de capteurs sans fil , Internet des objets règne l'ère technique du 21e siècle. Pour que ces nouveautés restent opérationnelles, les besoins en énergie sont devenus le plus grand défi. Cherchez une solution durable et fiable énergie renouvelable la source poussé les chercheurs à tomber sur des moissonneuses-batteuses de puissance novatrices matériaux piézoélectriques . Partons en voyage pour explorer cette nouvelle ère moissonneuses-batteuses.
Qu'est-ce que le matériau piézoélectrique?
Pour savoir ce qu'un matériau piézoélectrique faut-il savoir à quoi correspond le terme piézoélectrique ?. Dans PIÉZO-ÉLECTRICITÉ le terme «piézo» signifie pression ou contrainte. Ainsi piézo-électricité est défini comme «Électricité générée par l'application d'une contrainte ou d'une tension mécanique» et les matériaux qui présentent cette propriété entrent dans la catégorie des matériaux piézoélectriques . Le mérite de la découverte de ces matériaux revient à Sir Jacques Curie (1856-1941) et Pierre Curie (1859–1906) . En expérimentant avec certains minéraux cristallins comme le quartz, le sucre de canne, etc., ils ont constaté que l'application de force ou de tension sur ces matériaux générait des tensions de polarités opposées avec des grandeurs propositionnelles à la charge appliquée. Ce phénomène a été nommé comme Direct Effet piézo .
L'année suivante, Lippman découvert l'effet Converse en déclarant que l'un de ces cristaux générateurs de tension, lorsqu'il est exposé à un champ électrique, s'allonge ou se raccourcit selon la polarité du champ appliqué. Matériaux piézoélectriques a été reconnu avec son rôle dans la Première Guerre mondiale lorsque le quartz a été utilisé comme résonateur dans SONAR. Pendant la période de la Seconde Guerre mondiale, un matériau piézoélectrique synthétique a été découvert, ce qui a conduit plus tard au développement intense de dispositifs piézoélectriques . Avant d'utiliser un matériau piézoélectrique, il faut connaître les caractéristiques qui rendent ces matériaux piézoélectriques.
Propriétés du matériau piézoélectrique et comment ça marche?
Le secret des matériaux piézoélectriques réside dans leur structure atomique unique. Les matériaux piézoélectriques sont liés ioniquement et contiennent des ions positifs et négatifs sous la forme de paires appelées cellules unitaires. Ces matériaux sont disponibles dans la nature comme un diélectrique anisotrope avec réseau cristallin non centrosymétrique c'est-à-dire qu'ils n'ont pas de charges électriques libres et que les ions n'ont pas de centre de symétrie.
Effet piézoélectrique direct
Lorsqu'une contrainte mécanique ou un frottement est appliqué sur ces matériaux, la géométrie de la structure atomique du cristal change en raison du mouvement net des ions positifs et négatifs l'un par rapport à l'autre, ce qui entraîne Dipôle électrique ou Polarisation . Ainsi, le cristal passe d'un diélectrique à un matériau chargé. La quantité de tension générée est directement proportionnelle à la quantité de contrainte ou de tension appliquée au cristal.
Effet piézoélectrique direct
Effet piézoélectrique Converse
Lorsque électricité est appliqué sur ces cristaux des dipôles électriques apparaissent, formant le mouvement dipolaire qui provoque la déformation du cristal, donnant ainsi lieu à l'inverse effet piézoélectrique comme indiqué sur la figure.
Effet piézoélectrique Converse
Matériaux piézoélectriques synthétiques
Artificiel matériaux piézoélectriques aimer céramique piézoélectrique présentent une polarisation spontanée (propriété ferroélectrique), c'est-à-dire qu'un dipôle existe dans leur structure même lorsqu'aucun champ électrique n'est appliqué. Ici le montant de effet piézoélectrique produit dépend fortement de leur structure atomique. Les dipôles présents dans la structure forment des domaines-régions où les dipôles voisins ont le même alignement. Initialement, ces domaines sont orientés aléatoirement, n'entraînant ainsi aucune polarisation nette.
Structure cristalline de la pérovskite au-dessus et au-dessous du point de Curie
En appliquant un fort champ électrique CC à ces céramiques lorsqu'elles traversent leur point de Curie, les domaines s'alignent dans la direction du champ électrique appliqué. Ce processus s'appelle sondage . Après refroidissement à température ambiante et élimination du champ électrique appliqué, tous les domaines conservent leur orientation. Une fois ce processus terminé, la céramique présente l'effet piézoélectrique . Les matériaux piézoélectriques naturels existants comme le quartz ne s'affichent pas comportement ferroélectrique .
Équation piézoélectrique
L'effet piézoélectrique peut être décrit avec ce qui suit Équations de couplage piézoélectrique
Effet piézoélectrique direct: S = sE .T + d. E
Effet piézoélectrique inversé: D = d.T + εT.E
Où,
D = vecteur de déplacement électrique
T = le vecteur de contrainte
sE = matrice de coefficients élastiques à champ électrique constant,
S = vecteur de déformation
εT = matrice diélectrique à déformation mécanique constante
E = vecteur de champ électrique
d = effet piézoélectrique direct ou inverse
Le champ électrique appliqué dans différentes directions génère différentes quantités de contraintes dans les matériaux piézoélectriques. Ainsi, les conventions de signe sont utilisées avec les coefficients pour connaître la direction du champ appliqué. Pour déterminer la direction, les axes 1, 2, 3 sont utilisés de manière analogue à X, Y, Z. La polarisation est toujours appliquée dans la direction de 3. Le coefficient à double indice relie les caractéristiques électriques et mécaniques avec le premier indice décrivant la direction de la champ électrique en fonction de la tension appliquée ou de la charge produite. Le deuxième indice donne la direction de la contrainte mécanique.
Le coefficient de couplage électromécanique se présente sous deux formes. Le premier est le terme d'actionnement d, et le second est le capteur terme g. Les coefficients piézoélectriques ainsi que leurs notations peuvent être expliqués avec d33
Où,
d indique que la contrainte appliquée est dans la troisième direction.
3 spécifie que les électrodes sont perpendiculaires au 3ème axe.
3 spécifie la constante piézoélectrique.
Comment fonctionne le matériau piézoélectrique?
Comme expliqué ci-dessus, les matériaux piézoélectriques peuvent fonctionner dans deux modes :
- L'effet piézoélectrique direct
- Effet piézoélectrique Converse
Prenons un exemple pour chacun pour comprendre l'application de ces modes.
Générateur Heal-Strike utilisant l'effet piézoélectrique direct:
DARPA a développé cet appareil pour équiper les soldats d'un groupe électrogène portable. Le matériau piézoélectrique implanté dans les chaussures subit une contrainte mécanique lorsque le soldat marche. En raison de direct propriété piézoélectrique , le matériau produit une charge électrique en raison de cette contrainte mécanique. Cette charge est stockée dans le condensateur ou batteries qui peuvent ainsi être utilisés pour charger leurs appareils électroniques en déplacement.
Générateur de grève de soins
Oscillateur à quartz dans les montres utilisant l'effet piézoélectrique Converse
Les montres contiennent un cristal de quartz . Lorsque l'électricité de la batterie est appliquée à ce cristal via un circuit, un effet piézoélectrique inverse se produit. En raison de cet effet lors de l'application d'une charge électrique, le cristal commence à osciller à une fréquence de 32768 fois par seconde. La micropuce présente dans le circuit compte ces oscillations et génère une impulsion régulière par seconde qui fait tourner les secondes aiguilles de la montre.
Effet Piezo Converse utilisé dans les montres
Utilisations des matériaux piézoélectriques
En raison de son unique caractéristiques, matériaux piézoélectriques ont acquis un rôle important dans diverses inventions technologiques.
Utilisation de l'effet piézo direct
- Dans les gares japonaises, le concept de ' ferme de foule »A été testé là où les pas des piétons sur les tuiles piézoélectriques encastrées sur la route peuvent générer de l’électricité.
- En 2008, une boîte de nuit à Londres construit le premier étage écologique composé de matériau piézoélectrique qui peut générer de l'électricité pour alimenter des ampoules lorsque les gens dansent dessus.
- L'effet piézoélectrique trouve une application utile en tant que filtres mécaniques de fréquence, dispositifs à ondes acoustiques de surface , appareils à ondes acoustiques en vrac, etc…
- Microphones et haut-parleurs son et ultrasons, imagerie par ultrasons , hydrophones.
- Micros piézoélectriques pour guitares, biocapteurs pour mettre le stimulateur sous tension.
- Les éléments piézoélectriques sont également utilisés dans la détection et la génération d'ondes sonar, mono-axe et double axe détection d'inclinaison .
Effet piézoélectrique de RoadWays
Utilisations de l'effet piézoélectrique Converse
- Actionneurs et moteurs
- Placement de micro-précision et ajustements de micro-précision dans les lentilles pour microscopes.
- Pilote d'aiguille dans les imprimantes, moteurs miniaturisés, actionneurs bimorphes.
- Actionneurs multicouches pour un positionnement précis dans l'optique
- Systèmes d'injection dans les vannes de carburant automobiles, etc.
Effet électrique piézo-électrique en tant que micro-ajustement dans la caméra
En couplant les champs électriques et mécaniques:
- Pour l'étude de la structure atomistique des matériaux.
- Surveiller l'intégrité structurelle et détecter les défauts dès les premiers stades des structures civiles, industrielles et aérospatiales.
Avantages et limites des matériaux piézoélectriques
Les avantages et limitations des matériaux piézoélectriques sont les suivants.
Avantages
- Les matériaux piézoélectriques peuvent fonctionner dans toutes les conditions de température.
- Ils ont faible empreinte carbone ce qui en fait la meilleure alternative aux combustibles fossiles.
- Les caractéristiques de ces matériaux en font les meilleurs collecteurs d'énergie.
- L'énergie inutilisée perdue sous forme de vibrations peut être exploitée pour générer de l'énergie verte.
- Ces matériaux peuvent être réutilisés.
Limites
- En travaillant avec des vibrations, ces appareils sont également susceptibles de capter des vibrations indésirables.
- La résistance et la durabilité appliquent des limites aux appareils lorsqu'ils sont utilisés pour capter l'énergie des trottoirs et des routes.
- Le décalage entre la rigidité du matériau piézoélectrique et le matériau de la chaussée.
- Les détails moins connus de ces appareils et la quantité de recherches effectuées jusqu'à ce jour ne sont pas suffisants pour exploiter pleinement l'utilisation de ces appareils.
Comme il est dit 'La nécessité est la mère de l'invention', notre nécessité pour un dispositif de récupération d'énergie sans agitation et à faible empreinte carbone a apporté matériaux piézoélectriques à nouveau sous les projecteurs. Comment ces matériaux peuvent-ils surmonter leurs limites? Allons-nous vers un avenir où au lieu de nous soucier de la quantité de carburant consommée pour voyager, nous nous interrogerions uniquement sur la quantité d'énergie produite par notre voiture? Qu'en penses-tu? Voici une question pour vous, quel est le meilleur matériau piézoélectrique?
