How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

Comment extraire de l'électricité des cristaux - Ashwini Bharathula

Traducteur: Viviane Lestic Relecteur: eric vautier

This is a crystal of sugar.

Ceci est un cristal de sucre.

If you press on it, it will actually generate its own electricity.

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

How can this simple crystal act like a tiny power source?

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

Because sugar is piezoelectric.

Parce que le sucre est piézoélectrique.

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

Les matériaux piézoélectriques transforment un effort mécanique,

like pressure,

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

sound waves,

and other vibrations

en électricité et inversement.

into electricity and vice versa.

This odd phenomenon was first discovered

Ce phénomène étrange fut découvert

by the physicist Pierre Curie and his brother Jacques in 1880.

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

They discovered that if they compressed thin slices of certain crystals,

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

positive and negative charges would appear on opposite faces.

des charges positives et négatives apparaissaient sur les faces opposées.

Cette différence de charge, ou tension,

This difference in charge, or voltage,

meant that the compressed crystal could drive current through a circuit,

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

like a battery.

comme une batterie.

And it worked the other way around, too.

Et cela fonctionnait aussi dans l'autre sens.

Running electricity through these crystals made them change shape.

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

Both of these results,

Ces deux résultats,

turning mechanical energy into electrical,

transformer une énergie mécanique en énergie électrique,

and electrical energy into mechanical,

et une énergie électrique en énergie mécanique,

were remarkable.

étaient remarquables.

But the discovery went uncelebrated for several decades.

Mais la découverte resta peu connue pendant plusieurs décennies.

The first practical application was in sonar instruments

La première application pratique fut dans les sonars

used to detect German submarines during World War I.

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

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

Les cristaux de quartz du transmetteur du sonar

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

vibraient lorsqu'ils étaient soumis à une tension alternative.

That sent ultrasound waves through the water.

Cela envoyait des ultrasons dans l'eau.

Measuring how long it took these waves to bounce back from an object

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

revealed how far away it was.

révélaient à quelle distance il se trouvait.

For the opposite transformation,

Pour la transformation inverse,

converting mechanical energy to electrical,

convertir une énergie mécanique en énergie électrique,

consider the lights that turn on when you clap.

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

Clapping your hands send sound vibrations through the air

Taper des mains envoie des vibrations dans l'air

and causes the piezo element to bend back and forth.

et tord l'élément piézoélectrique.

This creates a voltage that can drive enough current to light up the LEDs,

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

though it's conventional sources of electricity that keep them on.

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

So what makes a material piezoelectric?

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

The answer depends on two factors:

La réponse dépend de deux facteurs :

the materials atomic structure,

la structure atomique du matériau,

and how electric charge is distributed within it.

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

Many materials are crystalline,

De nombreux matériaux sont cristallins,

meaning they're made of atoms or ions

c'est-à-dire faits d'atomes ou d'ions

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

bien ordonnés selon un motif tridimensionnel.

That pattern has a building block called a unit cell

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

that repeats over and over.

se répète encore et encore.

In most non-piezoelectric crystalline materials,

Dans la plupart des matériaux cristallins non-piézoélectriques,

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

les atomes d'une cellule unitaire sont répartis symétriquement

around a central point.

autour d'un point central.

But some crystalline materials don't possess a center of symmetry

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

making them candidates for piezoelectricity.

ce qui en fait de bons candidats pour la piézoélectricité.

Regardons le quartz,

Let's look at quartz,

a piezoelectric material made of silicon and oxygen.

un matériau piézoélectrique fait de silicium et d'oxygène.

The oxygens have a slight negative charge and silicons have a slight positive,

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

creating a separation of charge,

créant une séparation de charge,

or a dipole along each bond.

ou un dipôle le long de chaque lien.

En temps normal, ces dipôles s'annulent mutuellement,

Normally, these dipoles cancel each other out,

so there's no net separation of charge in the unit cell.

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

But if a quartz crystal is squeezed along a certain direction,

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

the atoms shift.

les atomes se déplacent.

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

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

the dipoles no longer cancel each other out.

les dipôles ne s'annulent plus mutuellement.

The stretched cell ends up with a net negative charge on one side

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

and a net positive on the other.

et une charge positive de l'autre.

Ce déséquilibre de charge est répété dans tout le matériau,

This charge imbalance is repeated all the way through the material,

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

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

This results in a voltage that can drive electricity through a circuit.

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

Piezoelectric materials can have different structures.

Les matériaux piézoélectriques peuvent avoir différentes structures.

But what they all have in common is unit cells which lack a center of symmetry.

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

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

Plus la compression des matériaux piézoélectriques est grande,

the larger the voltage generated.

plus la tension générée est élevée.

Stretch the crystal, instead, and the voltage will switch,

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

making current flow the other way.

et le courant circule dans l'autre sens.

More materials are piezoelectric than you might think.

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

DNA,

L'ADN,

bone,

les os,

and silk

et la soie

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

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

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

Les scientifiques ont créé divers matériaux piézoélectriques de synthèse

and found applications for them in everything from medical imaging

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

to ink jet printers.

aux imprimantes à jet d'encre.

Piezoelectricity is responsible for the rhythmic oscillations

La piézoélectricité est la cause des oscillations régulières

of the quartz crystals that keep watches running on time,

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

the speakers of musical birthday cards,

des hauts-parleurs de cartes musicales,

and the spark that ignites the gas in some barbecue grill lighters

et de l'étincelle de certains allume-gaz

when you flick the switch.

lorsque vous pressez le bouton.

And piezoelectric devices may become even more common

Les appareils piézoélectriques pourraient devenir encore plus communs

since electricity is in high demand and mechanical energy is abundant.

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

There are already train stations that use passengers' footsteps

Il existe déjà des gares utilisant les pas des passagers

to power the ticket gates and displays

pour alimenter les portails et les affichages,

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

et une discotèque où les lumières sont alimentées par piézoélectricité.

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

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

Or might walking down the street charge your electronic devices?

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

What's next for piezoelectricity?

Quelle est la suite pour la piézoélectricité ?