Qu’est-ce que la piézoélectricité ?

La piézoélectricité est une forme d’électricité créée lorsque certains cristaux sont pliés ou déformés. Ces mêmes cristaux peuvent également être amenés à se plier légèrement lorsqu’un faible courant les traverse, ce qui encourage leur utilisation dans des instruments pour lesquels de grands degrés de contrôle mécanique sont nécessaires. C’est ce qu’on appelle la piézoélectricité inverse. Par exemple, les microscopes à effet tunnel (STM) utilisent des cristaux piézoélectriques pour balayer la surface d’un matériau et créer des images très détaillées. La piézoélectricité est liée à la pyroélectricité, dans laquelle un courant est créé en chauffant ou en refroidissant le cristal.

La propriété de la piézoélectricité est dictée à la fois par les atomes du cristal et par la manière particulière dont ce cristal a été formé. Certaines des premières substances utilisées pour démontrer la piézoélectricité sont la topaze, le quartz, la tourmaline et le sucre de canne. Aujourd’hui, nous connaissons de nombreux cristaux piézoélectriques, dont certains peuvent même être trouvés dans l’os humain. Certaines céramiques et polymères ont également montré cet effet.

Un cristal piézoélectrique se compose de plusieurs domaines imbriqués qui ont des charges positives et négatives. Ces domaines sont symétriques à l’intérieur du cristal, ce qui rend le cristal dans son ensemble électriquement neutre. Lorsqu’une contrainte est exercée sur le cristal, la symétrie est légèrement brisée, générant une tension. Même un tout petit peu de cristal piézoélectrique peut générer des tensions par milliers.

La piézoélectricité est utilisée dans les capteurs, les actionneurs, les moteurs, les horloges, les briquets et les transducteurs. Une horloge à quartz utilise la piézoélectricité, comme n’importe quel briquet sans silex. Les appareils à ultrasons médicaux créent des vibrations acoustiques à haute fréquence à l’aide de cristaux piézoélectriques. La piézoélectricité est utilisée dans certains moteurs pour créer l’étincelle qui enflamme le gaz. Les haut-parleurs utilisent la piézoélectricité pour convertir l’électricité entrante en son. Les cristaux piézoélectriques sont utilisés dans de nombreux dispositifs hautes performances pour appliquer de minuscules déplacements mécaniques à l’échelle du nanomètre.

Même si un cristal piézoélectrique ne se déforme jamais de plus de quelques nanomètres lorsqu’il est parcouru par un courant, la force à l’origine de cette déformation est extrêmement élevée, de l’ordre du méganewtons. Ce pouvoir de déformation est utilisé dans les expériences de mécanique et pour aligner des éléments optiques plusieurs fois plus lourds que le cristal piézoélectrique lui-même.