© Musée Curie (coll. ACJC)

La piézoélectricité et le quartz piézoélectrique : une découverte et une invention des frères Curie


Découvrez l'histoire et le fonctionnement du quartz piézoélectrique, instrument inventé par Pierre Curie et Jacques son frère, en 1885. Saviez-vous que sans cet instrument peu connu, mystérieux et au fonctionnement complexe, Marie et Pierre Curie n'auraient probablement pas pu mesurer précisément les rayonnements de l'uranium, et n'auraient donc par conséquence, certainement pas pu découvrir le polonium et le radium ? Et, saviez-vous que la piézoélectricité a toujours aujourd'hui diverses applications dans la vie quotidienne ! ?

« Je pense qu’il est nécessaire ici de décrire cet instrument […] parce que son fonctionnement est tellement régulier [...], qu'une fois connu il sera certainement apprécié et employé avec avantage par les physiciens dans la plupart des recherches auxquelles il peut être appliqué. »

Extrait de la thèse de Jacques Curie, publié en 1889

Jacques et Pierre Curie : scientifiques, inventeurs et découvreurs de la piézoélectricité


En 1880, 16 ans avant la découverte des rayons uraniques, Jacques et Pierre Curie, âgés de 25 et 21 ans, sont l'un préparateur et l'autre préparateur adjoint à la Faculté de sciences de Paris. Ils s’intéressent aux propriétés électriques des cristaux, et ils vont rapidement découvrir que le quartz, ainsi que d’autres cristaux plus rares comme la tourmaline ou le topaze, produisent des charges électriques lorsqu’ils sont comprimés ou étirés selon certains axes particuliers. L’année suivante, Gabriel Lippmann prédit l’existence de l’effet inverse. Immédiatement après, les frères Curie vérifient expérimentalement cette prédiction : lorsqu’ils envoient une série de décharges électriques sur un quartz, celui-ci se comprime et s’étire successivement.

En deux ans les jeunes scientifiques publient six notes aux Comptes Rendus de l’Académie des Sciences autour de ce phénomène, qui est alors appelé piézoélectricité, du grec piézein qui signifie presser. Leurs études ne s’arrêtent pas à la compréhension théorique de la piézoélectricité, au contraire les deux frères réfléchissent rapidement aux applications utiles pour leurs travaux scientifiques. Dès 1885, ils font construire par Jean Gustave Bourbouze le prototype d’un instrument basé sur la propriété qu’ils ont découverte.

A quoi sert un quartz piézoélectrique ?


Cet instrument, appelé tout simplement quartz piézoélectrique par les deux frères Curie, sera perfectionné par la suite, et commercialisé dès 1890 par la Société Centrale des Produits Chimiques. Dans la notice de l’appareil, on propose d'utiliser le quartz piézoélectrique pour différentes applications nécessitant des mesures de petites quantités d’électricité.
Le quartz piézoélectrique est en effet un générateur de petites quantités d’électricité, précisément connues.

© Musée Curie (coll. ACJC)

Jacques (gauche) et Pierre (droite) Curie avec leurs parents en 1878

© Musée Curie

Gravure d'un modèle de quartz piézo-électrique, extraite de la thèse de Jacques Curie, 1889.

© Uriel Chantraine 2016 / Musée Curie

Quartz piézo-électrique, dans la vitrine de la méthode Curie au Musée Curie.

© Uriel Chantraine 2016 / Musée Curie

Quartz piézo-électrique, dans la vitrine de la méthode Curie au Musée Curie.

Comment marche un quartz piézoélectrique ?


Une fine lame de quartz, savamment taillée, est accrochée à la partie supérieure de l’instrument. Pour recueillir les charges électriques qu’elle peut émettre par effet piézoélectrique, elle est recouverte sur ses deux faces d’une fine couche métallique à laquelle est soudé un fil électrique.

Au bas de la lame de quartz on accroche un plateau, sur lequel il est possible de poser des poids. Lorsque l’on pose (ou l’on enlève) un poids sur le plateau, le quartz est ainsi étiré (ou relâché), et émet de l’électricité, avant de se stabiliser à nouveau. Il est important de remarquer que la charge électrique émise par la lame de quartz est calculable, car elle dépend uniquement de ses dimensions géométriques, et du poids utilisé.

Une découverte, de nombreuses applications


« Pour mesurer les courants très faibles que l’on peut faire passer dans l’air ionisé par les rayons de l’uranium, j’avais à ma disposition une méthode excellente étudiée et appliquée par Pierre et Jacques Curie. »

Marie Curie, Pierre Curie, 1923.

Au laboratoire Curie de l’Institut du radium, de nombreux quartz piézoélectriques étaient utilisés pour effectuer les mesures de radioactivité, et ce au moins jusqu’aux années 1930 ! Cet instrument a été introduit par Marie et Pierre Curie dès 1898 dans leur méthode de mesure de la radioactivité, qu’on appelle aujourd’hui la « méthode Curie ». Lors de cette mesure, les deux scientifiques compensaient la charge électrique inconnue produite par l’échantillon radioactif, avec la charge électrique connue générée par le quartz. La méthode de compensation leur permettait de mesurer, à l’aide d’un électromètre à quadrant, avec une grande précision des courants très faibles, de l’ordre de 10-13 ampères ! Précision qui leur a permis de détecter, dans les minerais d’uranium, la présence de quantités infimes de deux nouveaux éléments chimiques radioactifs : le polonium et le radium.

A quoi sert la piézoélectrique aujourd'hui ?


La découverte de la piézoélectricité de Jacques et Pierre Curie n’est pas restée l’apanage des laboratoires. Au cours de la Grande Guerre, le scientifique Paul Langevin, ancien élève de Pierre Curie, invente un premier type de sonar qui utilise l’effet piézo-électrique inverse du quartz. Dans cette invention il exploite le fait que lorsqu’on soumet le quartz à des décharges électriques, celui-ci se comprime et s’étire successivement, en produisant ainsi des ultra-sons. Des applications de la vie courante sont aussi basées sur le phénomène découvert par les frères Curie, comme par exemple les montres à quartz, l’allume-gaz électronique, certains types d’enceintes. Aujourd’hui, des chercheurs explorent même la possibilité d’exploiter la piézo-électricité du quartz dans des chaussures permettant de générer et stocker de l’énergie à chaque pas !

© Musée Curie (coll. ACJC)

Pierre et Marie Curie dans le laboratoire dit "de la découverte" en 1898.

pour aller plus loin


> L. Barbo, D. Beaudouin, et M. Laguës, L’expérience retrouvée, Belin. 2005.

> D. Bernard, Un trésor scientifique redécouvert: la collection d’instruments scientifiques de la faculté des sciences de Rennes (1840-1900). Chantepie, France: Rennes Sciences, 2018.

> S. Boudia, « Le quartz piézo-électrique, la particularité des Curie », in Marie Curie et son laboratoire, Editions des archives contemporaines., 2001, p. 58‑62. 

> J. Curie, « Quartz piézo-électrique, extrait de la thèse de Jacques Curie », Annales de Chimie et de physique, vol. XVII, p. 392, 1889. Texte disponible sur Gallica !