L'effet
piézoélectrique est une propriété unique de certains cristaux où ils génèrent
un champ électrique ou courant s'il est soumis à un stress physique. Le même
effet peut également être observé dans le sens inverse, où un champ électrique
imposé au cristal mettra l'accent sur sa structure. L'effet piézo-électrique
est essentiel pour les transducteurs, qui sont des composants électriques
utilisés dans une grande variété d'applications de capteurs et de circuits.
Malgré la polyvalence du phénomène pour des applications dans des dispositifs
électromécanique, il a été découvert en 1880, mais n'a pas trouvé l'utilisation
généralisée jusqu'à environ la moitié d'un siècle plus tard. Les types de
structures cristallines qui présentent l'effet piézo-électrique comprennent le
quartz, la topaze, le sel de Rochelle, qui est un type de sel de potassium avec
la formule chimique de KNAC 4 H 4 O 6 4H 2 O.
Pierre Curie,
qui est célèbre pour avoir remporté le prix Nobel 1903 de physique pour la
recherche sur le rayonnement avec sa femme Marie, est crédité de la découverte
de l'effet piézo-électrique avec son frère Jacques Curie en 1880. Les frères
n'ont pas le temps de découvrir l'effet piézoélectrique inverse, cependant, où
l'électricité se déforme cristaux. Gabriel Lippmann, un physicien
franco-luxembourgeois, est crédité de l'effet découvert inverse, l'année
suivante, qui a conduit à son invention de l'électromètre Lippmann en 1883, un
dispositif au cœur de l'opération de la première électrocardiographie
expérimental (ECG) de la machine.
Effets
piézoélectriques ont la propriété unique de développer souvent des milliers de
volts d’énergie électrique différence de potentiel aux niveaux actuels très
bas. Cela fait même de minuscules cristaux piézoélectriques objets utiles pour
produire des étincelles dans les équipements d'allumage tels que fours à gaz. Autres
utilisations communes pour cristaux piézo-électriques sont à contrôler les
mouvements précis de microscopes, des imprimantes et des horloges
électroniques.
Le processus par
lequel l'effet piézo-électrique a lieu est fondé sur la structure fondamentale
d'un réseau cristallin. Les cristaux ont généralement un équilibre de charge où
charges positives et négatives s'annulent précisément les uns les autres le
long des plans rigides du réseau cristallin. Lorsque cet équilibre est perturbé
de charge par application d'une contrainte physique d'un cristal, l'énergie est
transférée par des porteurs de charges électriques, ce qui crée un courant dans
le cristal. Avec l'effet piézoélectrique inverse, l'application d'un champ
électrique extérieur au cristal déséquilibrerait l'état de charge neutre, ce
qui entraîne des contraintes mécaniques et léger réajustement de la structure
en treillis.
À partir de
2011, l'effet piézoélectrique a été largement monopolisé et utilisé dans tout,
des horloges à quartz à allumage du chauffe-eau, barbecues portables, et même
des briquets de poche. En imprimantes, les cristaux minuscules sont utilisés au
niveau des buses de jet d'encre pour bloquer l'écoulement de l'encre. Lorsqu'un
courant est appliqué à eux, ils se déforment, permettant à l'encre de s'écouler
sur le papier en volumes soigneusement contrôlées pour produire un texte et des
images.
L'effet
piézoélectrique peut également être utilisé pour générer des sons pour
haut-parleurs miniatures dans les montres, et des transducteurs sonores pour
mesurer les distances entre les objets tels que des détecteurs de colombage
dans le métier de la construction. Les transducteurs à ultrasons sont également
basés sur des cristaux piézoélectriques ainsi que de nombreux microphones. À
partir de 2011, ils utilisent des cristaux fabriqués à partir de titanate de
baryum, le titanate de plomb, ou zirconate de plomb, qui produit des tensions
plus basses que le sel de Rochelle, qui était le cristal standard dans des
formes précoces de ces technologies.
Une des formes
les plus avancées de la technologie pour capitaliser sur l'effet
piézo-électrique à partir de 2011, c'est que du microscope à effet tunnel (STM)
qui est utilisé pour examiner visuellement la structure des atomes et des
petites molécules. La STM est un outil fondamental dans le domaine de la
nanotechnologie. Cristaux piézo-électriques utilisés dans STM sont capables de
générer un mouvement mesurable sur l'échelle de quelques nanomètres ou
milliardièmes de mètre.