ピエゾ電気：シンプルな結晶が電気を生成する

要約

砂糖、骨、絹などのピエゾ電気材料は、機械的なストレスや振動を電気に変換することができ、逆もまた同様です。この奇妙な現象は、ピエール・キュリーとジャック・キュリーが1880年に特定の結晶の薄いスライスを圧縮したときに、反対の面に電荷の違いがあることを発見したことによって発見されました。この発見は、第一次世界大戦中にドイツの潜水艦を検出するために使用された音響機器での最初の実用化まで数十年間忘れ去られていました。それ以来、科学者たちは合成ピエゾ電気材料を作成し、医療画像からインクジェットプリンターまで、あらゆるものに応用しています。需要の高い電気と豊富な機械エネルギーを考えると、ピエゾ電気デバイスは将来的にさらに一般的になるかもしれません。

はじめに

ピエゾ電気は複雑な用語のように聞こえますが、私たちは日常生活でそれによく出会います。時計の石英結晶からバーベキューライターのスパークまで、ピエゾ電気材料は最小限の機械ストレスから電力を生成することができます。本記事では、ピエゾ電気の科学、応用、再生可能エネルギー源としての可能性について掘り下げます。

Q&A

ピエゾ電気とは何ですか？

ピエゾ電気とは、一定の材料が機械エネルギーを電気エネルギーに変換する能力を指します。圧縮、曲げ、ねじれなどの機械的なストレスがピエゾ電気材料に加わると、電荷を生成する電圧差が生じます。同様に、材料に電場が加わると、材料が変形する力が生じます。

ピエゾ電気はどのように機能しますか？

ピエゾ電気材料は、中心対称性を欠く独特の原子構造を持ち、通常は互いに打ち消し合う分極を持っています。しかし、材料がストレスや電場にさらされると、分極が不均一になり、結晶の片側に正の電荷が、反対側に負の電荷が生じます。これにより、結晶の反対側に電極を接続することで、電気を生成するための電位差が生じます。

材料をピエゾ電気にする要素は何ですか？

ピエゾ電気は、材料の原子構造とその内部の電荷分布の2つの要因に依存します。多くのピエゾ電気材料は結晶性であり、繰り返しの三次元的なパターンで配置された原子から構成されています。中心対称性を欠く単位格子を持つ材料は、ピエゾ電気になることができます。ピエゾ電気材料の例には、石英、特定のセラミックス、骨、絹などがあります。

ピエゾ電気の一般的な応用は何ですか？

ピエゾ電気材料は、音響機器、医療画像、インクジェットプリンター、ガスライターなど、さまざまな応用分野で使用されています。たとえば、ピエゾ電気石英結晶は、超音波を水中に送信して潜水艦を検出する音響機器に使用されます。これらの波が物体から反射すると、物体がどのくらい離れているかを明らかにします。医療画像では、ピエゾ電気材料は超音波技術で人体の画像を作成するために使用されます。インクジェットプリンターでは、ピエゾ電気結晶がノズルからインクを噴出します。ガスライターでは、ピエゾ電気スパーカーがガスを点火するために高電圧の火花を発生させます。