Comment extraire de l'électricité des cristaux - Ashwini Bharathula

Voir la leçon complète : http://ed.ted.com/lessons/how-to-squeeze-electricity-out-of-crystals-ashwini-bharathula

Cela peut sembler être de la science-fiction, mais si vous appuyez sur un cristal de sucre, il va générer sa propre électricité. Ce simple cristal peut se comporter comme une minuscule source d'énergie car le sucre est piézoélectrique. Ashwini Bharathula explique comment les matériaux piézoélectriques transforment une tension mécanique, comme la pression, les ondes sonores ou d'autres vibrations, en électricité, et inversement.

Leçon par Ashwini Bharathula, animation par Karrot Animation.

Ceci est un cristal de sucre.

Si vous appuyez dessus,
il va générer sa propre électricité.

Comment ce simple cristal peut-il
agir comme une source d'énergie ?

Parce que le sucre est piézoélectrique.

Les matériaux piézoélectriques
transforment un effort mécanique,

comme la pression, les ondes sonores,
et d'autres vibrations

en électricité et inversement.

Ce phénomène étrange
fut découvert

par le physicien Pierre Curie
et son frère Jacques en 1880.

Ils ont découvert qu'en compressant
de fines tranches de certains cristaux,

des charges positives et négatives
apparaissaient sur les faces opposées.

Cette différence de charge, ou tension,

signifiait que le cristal compressé
pouvait envoyer du courant dans un circuit

comme une batterie.

Et cela fonctionnait aussi
dans l'autre sens.

Faire circuler de l'électricité dans
ces cristaux les faisait changer de forme.

Ces deux résultats,

transformer une énergie mécanique
en énergie électrique,

et une énergie électrique
en énergie mécanique,

étaient remarquables.

Mais la découverte resta peu connue
pendant plusieurs décennies.

La première application pratique
fut dans les sonars

pour détecter les sous-marins allemands
pendant la Première Guerre Mondiale.

Les cristaux de quartz
du transmetteur du sonar

vibraient lorsqu'ils étaient soumis
à une tension alternative.

Cela envoyait des ultrasons dans l'eau.

Mesurer le temps qu'il fallait à ces ondes
pour rebondir sur un objet

révélaient à quelle distance
il se trouvait.

Pour la transformation inverse,

convertir une énergie mécanique
en énergie électrique,

pensez aux lumières qui s'allument
quand on tape des mains.

Taper des mains envoie
des vibrations dans l'air

et tord l'élément piézoélectrique.

Cela crée une tension qui peut conduire
assez de courant pour allumer les LEDs,

même si c'est l'électricité traditionnelle
qui les garde allumées.

Donc qu'est-ce qui rend un matériau
piézoélectrique ?

La réponse dépend de deux facteurs :

la structure atomique du matériau,

et comment la charge électrique
est répartie à l'intérieur.

De nombreux matériaux sont cristallins,

c'est-à-dire faits d'atomes ou d'ions

bien ordonnés
selon un motif tridimensionnel.

Le composant de base de ce motif,
appelé cellule unitaire,

se répète encore et encore.

Dans la plupart des matériaux cristallins
non-piézoélectriques,

les atomes d'une cellule unitaire
sont répartis symétriquement

autour d'un point central.

Mais certains matériaux cristallins
n'ont pas de symétrie centrale,

ce qui en fait de bons candidats
pour la piézoélectricité.

Regardons le quartz,

un matériau piézoélectrique
fait de silicium et d'oxygène.

L'oxygène a une charge légèrement négative
et le silicium légèrement positive,

créant une séparation de charge,

ou un dipôle le long de chaque lien.

En temps normal,
ces dipôles s'annulent mutuellement,

et il n'y a aucune séparation de charge
dans la cellule unitaire.

Mais si on compresse un cristal de quartz
dans une direction donnée,

les atomes se déplacent.

En raison de l'asymétrie
de répartition de charge générée,

les dipôles ne s'annulent plus
mutuellement.

La cellule étirée finit avec
une charge négative d'un côté,

et une charge positive de l'autre.

Ce déséquilibre de charge est répété
dans tout le matériau,

et les charges opposées s'accumulent
sur les faces opposées du cristal.

Cela génère une tension qui peut
conduire de l'électricité dans un cricuit.

Les matériaux piézoélectriques
peuvent avoir différentes structures.

Mais ils ont tous en commun des cellules
unitaires sans centre de symétrie.

Plus la compression des matériaux
piézoélectriques est grande,

plus la tension générée est élevée.

Si à la place, on étire le cristal,
la tension s'inverse,

et le courant circule dans l'autre sens.

Il y a plus de matériaux piézoélectriques
que vous ne l'imaginez.

L'ADN,

les os,

et la soie

ont tous cette capacité à transformer
un énergie mécanique en électricité.

Les scientifiques ont créé divers
matériaux piézoélectriques de synthèse

et leur ont trouvé des applications
allant de l'imagerie médicale

aux imprimantes à jet d'encre.

La piézoélectricité est la cause
des oscillations régulières

des cristaux de quartz
qui gardent les montres à l'heure,

des hauts-parleurs
de cartes musicales,

et de l'étincelle de certains allume-gaz

lorsque vous pressez le bouton.

Les appareils piézoélectriques
pourraient devenir encore plus communs

car la demande en électricité est élevée
et l'énergie mécanique est abondante.

Il existe déjà des gares utilisant
les pas des passagers

pour alimenter les portails
et les affichages,

et une discotèque où les lumières
sont alimentées par piézoélectricité.

La course des sportifs pourrait-elle
alimenter le tableau de score ?

Ou pourriez-vous recharger vos appareils
en marchant dans la rue ?

Quelle est la suite
pour la piézoélectricité ?