L’effet piézoélectrique est une propriété unique de certains cristaux où ils généreront un champ ou un courant électrique s’ils sont soumis à une contrainte physique. Le même effet peut également être observé à l’envers, où un champ électrique imposé sur le cristal exercera une contrainte sur sa structure. L’effet piézoélectrique 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 les applications dans les dispositifs électromécaniques, il a été découvert en 1880, mais n’a été largement utilisé qu’environ un demi-siècle plus tard. Les types de structures cristallines qui présentent l’effet piézoélectrique comprennent le quartz, la topaze et le sel de Rochelle, qui est un type de sel de potassium de formule chimique KNaC4H4O6 4H2O.
Pierre Curie, célèbre pour avoir remporté le prix Nobel de physique en 1903 pour la recherche sur les rayonnements avec sa femme Marie, est crédité d’avoir découvert l’effet piézoélectrique avec son frère Jacques Curie en 1880. Les frères n’ont pas découvert à l’époque l’effet piézoélectrique inverse , cependant, où l’électricité déforme les cristaux. Gabriel Lippmann, physicien franco-luxembourgeois, est crédité de la découverte de l’effet inverse l’année suivante, qui a conduit à son invention de l’électromètre Lippmann en 1883, un appareil au cœur du fonctionnement de la première machine expérimentale d’électrocardiographie (ECG).
Les effets piézoélectriques ont la propriété unique de développer souvent des milliers de volts de différence de potentiel d’énergie électrique avec des niveaux de courant très faibles. Cela fait même des minuscules cristaux piézoélectriques des objets utiles pour générer des étincelles dans les équipements d’allumage tels que les fours à gaz. Parmi les autres utilisations courantes des cristaux piézoélectriques, citons le contrôle de mouvements précis dans les microscopes, les imprimantes et les horloges électroniques.
Le processus par lequel l’effet piézoélectrique a lieu est basé sur la structure fondamentale d’un réseau cristallin. Les cristaux ont généralement un équilibre de charge où les charges négatives et positives s’annulent précisément le long des plans rigides du réseau cristallin. Lorsque cet équilibre de charge est perturbé en appliquant une contrainte physique à un cristal, l’énergie est transférée par des porteurs de charge électrique, créant un courant dans le cristal. Avec l’effet piézoélectrique inverse, l’application d’un champ électrique externe au cristal déséquilibrera l’état de charge neutre, ce qui entraîne une contrainte mécanique et un léger réajustement de la structure du réseau.
À partir de 2011, l’effet piézoélectrique a été largement monopolisé et utilisé dans tout, des horloges à quartz aux allumeurs de chauffe-eau, aux grils portables et même à certains briquets à main. Dans les imprimantes informatiques, les minuscules cristaux sont utilisés au niveau des buses des jets d’encre pour bloquer le flux d’encre. Lorsqu’un courant leur est appliqué, ils se déforment, permettant à l’encre de s’écouler sur le papier en volumes soigneusement contrôlés pour produire du texte et des images.
L’effet piézoélectrique peut également être utilisé pour générer du son pour les haut-parleurs miniatures des montres et dans les transducteurs soniques pour mesurer les distances entre les objets, comme pour les détecteurs de montants dans le secteur de la construction. Les transducteurs à ultrasons sont également basés sur des cristaux piézoélectriques ainsi que de nombreux microphones. Depuis 2011, ils utilisent des cristaux fabriqués à partir de titanate de baryum, de titanate de plomb ou de zirconate de plomb, qui produisent des tensions inférieures à celles du sel de Rochelle, qui était le cristal standard dans les premières formes de ces technologies.
L’une des formes de technologie les plus avancées pour capitaliser sur l’effet piézoélectrique à partir de 2011 est celle 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 des nanotechnologies. Les cristaux piézoélectriques utilisés dans les STM sont capables de générer un mouvement mesurable à l’échelle de quelques nanomètres ou milliardièmes de mètre.