L'effet piezo-electrique

L'effet piezo-electrique

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Expérimental
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux pour produire une tension lorsqu'il est soumis à une contrainte mécanique. Les matériaux piézoélectriques montrent aussi l'effet inverse, appelée piézoélectricité inverse, où l'application d'un champ électrique crée un stress mécanique (de changement de taille) dans le cristal.
 

Figure 1 Effet piézoélectrique

L'effet connu comme la piézoélectricité a été découvert par les frères Pierre et Jacques Curie; ils ont montré que les cristaux de tourmaline, le quartz, la topaze, le sucre de canne, et le sel de Rochelle (tartrate de potassium sodium tétra hydrate) génèrent une charge électrique apres d'un stress mécanique. Le quartz et le sel de Rochelle exposées plus piézoélectricité.
La classe de matériaux piézo-électriques a été agrandi, quand on a observé que de nombreux autres matériaux présentent l'effet, comme berlinite (AlPO4) et l'orthophosphate de gallium (GaPO4), de la céramique avec perovskite ou des structures de tungstène-bronze (BaTiO3, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, BiFeO3, NaxWO3, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15). Plus tard, on a observé que les matériaux polymères comme le caoutchouc, la laine, les cheveux, la fibre de bois, et soie  presente piézoélectricité dans une certaine mesure. Le polymère fluorure de polyvinlidene  (-CH2-CF2-) n, présente une piézoélectricité plusieurs fois plus grand que le quartz.

Contexte et explication actuelle

Dans un matériau piézo-électrique, les charges électriques positives et négatives sont séparées, mais répartis de façon symétrique, de sorte que le cristal est globalement électriquement neutre. Quand une contrainte est appliquée, cette symétrie est détruite, et l'asymétrie de charge génère une tension.
En effet inverse, lorsqu'une tension externe est appliquée, sur tel cristal, parce que les charges à l'intérieur du cristal sont séparés, la tension appliquée affecte différents points dans le cristal en mode différente, avec de consequnece la distorsion et de la taille des cristal.
L'effet a été étudié par les frères Curie avant 1900, en utilisant un électromètre à quadrant et un cristal piézo-électrique qui est soumis à une force extérieure.
Il a été considéré comme une curiosité lorsqu'il a été découvert, mais dans le temps, l'effet a acquis beaucoup d'applications.
Sauf d'une classification ultérieure de substances piézoélectriques selon le type ou la symétrie du cristal, aucun progrès significatifs ont été enregistrés dans un traitement quantique pour ce sujet. Les théoriciens du mécaniques quantiques sont en mesure d'appliquer l'idée quantique à un grand nombre de phénomènes cosmiques, mais aucune n'a été en mesure de l'appliquer à effet piézoélectrique. Livres célèbres de la physique ou de la chimie physique omettent complètement le sujet. Peut-être au lieu de couper les feuilles pour les chiens, certains théoriciens vont donner un traitement complet quantique de cet effet simple. Le texte qui suit va présenter quelques idées importantes pour les théoriciens actuels et pour un futur traitement avec la théorique quantique.

Pourquoi l'explication actuelle est absurde?

En guise d'explication actuelle, on ne sait pas ce que cela signifie une séparation de charge dans un cristal, et où cette charge est générée.
En tout état de matériau (piézo-électrique ou non), les électrons sont liés sur le noyau avec des forces électriques intenses. Afin d'éliminer un électron d'un atome, il est nécessaire de donner à un atome spécifique une énergie supérieure de leur énergie d'ionisation. Compte tenu d'un cristal de quartz, qui est simplement une variété de dioxyde de silicium, afin de produire une séparation de charge, il est nécessaire de donner une énergie d'ionisation plus alors 13,6 eV pour un atome d'oxygène ou supérieure alors 8,15 eV pour un atome de silicium .
Un facile à suivre mathématiques (toute demonstration dans le livre), va montrer que la pression extérieure exercée sur les faces de cristal de quartz ne produit pas l'ionisation d'un matériau de quartz.
Les physiciens actuels ne sont pas en mesure d'expliquer comment est possible de fournir une énergie plus faible comme l'énergie d'ionisation d'un cristal de quartz, et d'obtenir une séparation de charge. Peut-être que dans le dernier temps, le processus d'ionisation est produite comme résultat de l'effet tunnel quantique?
Nous allons analyser en détail cette apparition de charge possible et son mouvement. Considérant un cube réalisé dans un matériau piézo-électrique, deux forces égales agissent sur la dimension x comme dans la fig. 2

Figure 2 génération de charge en cristal piézoélectrique

Dans le matériau piézoélectrique un petit nombre de charges compensée (positifs et négatifs) sont figurés. Comme résultat de force extérieure, on est supposent une séparation de charge, mais ... quel genre de charge et où sont-ils apparaissent?
Est-ce que les charges apparaissent seulement à la surface du matériau comprimé ou qu'ils apparaissent dans tout le volume?
Parce que les atomes sont neutres avant le stress mécanique, il faut supposer que, sous action de force un nombre égal de charge positive et des charges négatives apparaît. Dans le même temps, il est un concept de bon sens à admettre l'immobilité du noyau, et la mobilité des électrons.
Supposons que pour le premier cas, les charges apparaissent seulement à la surface du matériau piézoélectrique comme sur la figure 3. Dans ce cas, sur les deux côtés d'un matériau un nombre égal de charges négatives sont disponibles pour la conduction. Un voltmètre connecté entre ces visages devrait enregistrer une différence nulle du potentiel. Ceci est parce qu'il n'y a pas de charge électrique qui se déplaçant dans le circuit externe. Si une ,,charge" est produit à la surface du cristal, le potentiel des deux surfaces modifier simultanément et aucune différence de potentiel apparaît. Le résultat est en contradiction avec l'expérience.

 
Figure 3 Cas de génération de charge de surface

Peut-être que les théoriciens actuels sont en mesure de démontrer que les noyaux positifs voyagent autour circuit?
Une deuxième possibilité concerne génération de charges dans la totalité du volume de matériau piézo-électrique selon la fig. 4. Ceci est une idée plus réaliste parce que  sous l effet des forces externes, les distances entre les atomes sont modifie; pour cette raison, il est normal de supposer que les charges sont générées dans le volume de cristal entier.
 

Figure 4. Cas de génération de charge de volume

Avec une telle distribution, un électron généré quelque part à l'intérieur de matériau piézoélectrique, avec une énergie supérieure de l énergie d'ionisation, va quitter son noyau et .... sera bientôt attiré par un autre noyau. Il ya une probabilité égale pour les électrons pour arriver sur une face de cristal; Là encore, aucune différence de potentiel doit apparaître sur la surface du cristal.

Bien sûr, il ya une possibilité pour les électrons générés à se regrouper et de se rendre à l'une des surface du cristal, mais dans ce cas théoriciens actuels devrait prévoir un mécanisme capable de produire un groupement d'électrons dans une région de matériau piézoélectrique. Pour un esprit de bon sens, il est totalement absurde de croire que tel  distribution de charge permis un regroupement de charge positive dans une région spatiale et charge négative dans une autre région.
En théorie proposée, il n'y a aucune raison pour une séparation de charge sur une surface de cristal et en fait, dans la réalité, il n'y a pas des phénomènes tels que résultat d'une action de force mécanique.

Si par absurde, une séparation de charge aurait lieu, l'effet le plus commen devrait être la génération d'un spectre d'émission. Un déplacement de charge est moins probable comme une extinction de charge due à la recombinaison des cations et electrons nouvellement générés. Dans ce cas  un de spectres d'émission. fig 5., doit être observé à chaque fois à la suite de la piézoélectricité.

Figue. 5. emissions spectres en raison de charge extinction

Un autre problème est lié à: Comment l'effet piézoélectrique correspond à l'hypothèse quantique?

Semblable à un autre effet physique bien connu (effet photoélectrique), si l'hypothèse quantique est valide, la différence de potentiel ne doit apparaître que lorsque la pression agissant sur le cristal  dépasset une certaine limite. Est-ce que cette chose existe dans la réalité? Il est bien connu à partir du moment des expériences de Curie que le potentiel généré est liée à la pression appliquée, sans une pression de seuil pour le potentiel généré. Dans le livre, les expériences sont répétées et décrites en détails, et aucune pression de seuil du potentiel apparition piézoélectrique a été observée. Par conséquent, un esprit commun »,, explication de l'effet piézo-électrique sera exclu ainsi que  l'hypothèse quantique et un processus d'ionisation dans le cristal de quartz. Il n'y a pas d'électrons suprime de la silicium ou d atome d'oxygène.

Le pyroélectricité est fermé lié à piezoelectricty, et d'exprimer la capacité de certains matériaux pour générer des charges électriques ,, "lorsqu'il est chauffé. La même discussion faite pour effet piézoélectrique est valable pour pyroélectricité. Il est absurde de croire qu'une température de 200 ° C est capable de produire ionisation ou un déplacement de charge dans un matériau. Toute la discussion est présenté dans le livre.