Piezzoélectricité et montre à quartz

On peut se demander pourquoi les montres comportent du quartz…

En raison de l’effet piézoélectrique, propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique.

Mis en évidence par Pierre Curie (bien qu’il eût des prédécesseurs), ce phénomène eut une application majeure en électronique : lorsqu’il est soumis à un champ électrique, le quartz se déforme par effet piézoélectrique inverse (il suffit d’y implanter des électrodes pour établir une tension). Lorsque ce champ est coupé, le quartz génère à son tour un champ électrique en revenant à sa forme initiale, par effet piézoélectrique, toujours. Le quartz génère donc une tension…

L’alternance entre ces deux états, entretenus par un composant actif, se stabilise sur une fréquence de résonance du quartz.

Grâce à la piézoélectricité, il existe donc des oscillateurs à quartz, lesquels n’ont plus qu’à être implantés dans une montre pour battre la mesure, en quelque sorte…

Bien entendu, le quartz peut être modélisé par un circuit électrique. Il possède alors une impédance (voir cet article : histoire d’impédance) valant :

Z(s) = \frac{s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_s}^2}{s C_0 (s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_p}^2)}

s est la fréquence complexe (s=j\omega) ,
\omega_s est la pulsation de résonance série (\omega_s = \sqrt{\frac{1}{L_1 C_1}}) ,
\omega_p est la pulsation de résonance parallèle (\omega_p = \frac{1}{\sqrt{L_1\frac{C_0 C_1}{C_0 + C_1}}})

Cela provient du fait que le quartz possède deux résonances : l’une à faible impédance (série) et l’autre à haute impédance (dérivation).

Modélisation électrique d’un quartz, avec son symbole (en haut).

Les éléments L1 et C1 sont des éléments fictifs modélisant le résonateur. A la résonance série, l’impédance de C1 est égale en module à l’impédance de L1. L’ajout d’un condensateur en dérivation, donc en parallèle sur Co, provoque une diminution de la fréquence de résonance parallèle du quartz. Ce phénomène peut être utilisé pour régler la fréquence suivant le besoin.

Proche de la piézoelectricité, la pyroélectricité, propriété d’un matériau dans lequel un changement de température entraine une variation de polarisation électrique.

Enfin, certains matériaux, dits ferroélectriques présentent une polarisation électrique spontanée ! C’est la ferroélectricité, au nom calqué sur le ferromagnétisme (très impressionnant dans le cas des ferrofluides).

Un ferrofluide est un fluide aimanté grâce à des nanoparticules ferromagnétiques. Il possède des propriétés superparamagnétiques et ferrimagnétiques.

Cela ne s’arrête pas là, puisqu’il existe des matériaux paramagnétiques, diamagnétiques, ferroélastiques… A croire que la physique est infinie ! Et c’est sans doute plus qu’une croyance…

À propos de Alexandre Cohen

Etudiant en médecine et journaliste en herbe. Suivez-moi sur Twitter !

Publié le 21 mai 2012, dans Physique, et tagué , , . Bookmarquez ce permalien. Poster un commentaire.

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