圧電効果：機械エネルギーから電気を発生させる科学

要約

この記事では、特定の材料が機械エネルギーから電気を発生させる圧電効果について、その原子構造や機能、そして日常生活での実用的な応用について探求します。

圧電効果：簡単な紹介

圧電効果とは、圧力、音波、振動などの機械エネルギーから電気を発生させる特定の材料の現象です。このユニークな能力は、様々な産業で数多くの実用的な応用を可能にしました。

圧電効果の発見

圧電効果は、ピエール・キュリーとジャック・キュリーによって1880年に初めて発見されました。彼らは、特定の結晶の薄いスライスを圧縮すると、正と負の電荷が反対側の面に生じ、圧縮された結晶がバッテリーのように回路を通じて電流を駆動することができることを発見しました。これらの結晶に電気を流すと、それらが形を変え、電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換します。

圧電効果の実用的な応用

圧電効果は、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など、多数の実用的な応用に利用されています。音響機器の圧電性水晶は、交流電圧にさらされると振動し、水中に超音波を送信します。これらの波が物体から跳ね返ってくるまでの時間が、その物体がどのくらい遠いかを示します。

圧電効果は、時計を正確に動かす石英結晶のリズミカルな振動、音楽付きのバースデーカードのスピーカー、バーベキューグリルのライターのスイッチを押すとガスを着火するスパークなどにも関与しています。科学者たちは、合成圧電材料を作り出し、医療画像診断やインクジェットプリンターなどで応用しています。

何が材料を圧電性にするのか

材料を圧電性にする要因は、材料の原子構造と、その内部で電荷が分布する方法によって異なります。多くの材料は結晶性であり、原子またはイオンが規則的な三次元パターンで配置されています。非圧電性の結晶材料の場合、ユニットセル内の原子は中心点を中心に対称的に分布しています。しかし、一部の結晶材料には対称中心が存在しないため、圧電性の候補となります。

シリコンと酸素で作られた圧電材料である石英はその例です。酸素はわずかな負電荷を持ち、シリコンはわずかな正電荷を持ち、それぞれの結合に沿って電荷の分離または双極子が生じます。通常、これらの双極子は互いに打ち消し合い、ユニットセル内には電荷の分離がありません。しかし、石英結晶が特定の方向に圧縮されると、原子が移動し、電荷分布に非対称性が生じます。双極子は互いに打ち消し合わなくなり、一方の面には正の電荷が、反対側には負の電荷が集まります。この電荷の不均衡が材料全体に繰り返され、逆の電荷が結晶の反対側に集まり、回路を通じて電気を駆動する電圧が生じます。

圧電効果の未来

電気が需要を増し、機械エネルギーが豊富であるため、圧電デバイスはより一般的になる可能性があります。駅ではすでに、乗客の足音でチケットゲートやディスプレイを駆動することができ、圧電効果がライトの電力を補助するダンスクラブもあります。将来は、バスケットボール選手がスコアボードを駆動したり、通りを歩いて電子機器を充電することができる可能性があります。