砂糖の力：圧電効果の理解

要約

この記事では、特定の材料が機械エネルギーを電気エネルギーに、逆に電気エネルギーを機械エネルギーに変換できる圧電効果の現象について探求します。圧電効果の歴史、物理学者ピエール・キュリーとその兄弟ジャックによる発見、第一次世界大戦中の音響機器での実用化について説明します。また、圧電材料の原子構造と、機械的なストレスにさらされたときに電圧を生成する方法についても説明します。最後に、医療画像からインクジェットプリンターまで、圧電材料の幅広い応用と、将来的に圧電効果がエネルギー源としてますます重要になる可能性についても議論します。

圧電効果の発見

圧電効果は、ピエール・キュリーとその兄弟ジャックによって1880年に初めて発見されました。彼らは、圧縮されたときに特定の結晶が正と負の電荷を生成し、回路を通じて電流を駆動することができる電圧を生成することを発見しました。また、これらの結晶に電気を流すことで形状が変化することも発見しました。これら2つの現象、機械エネルギーを電気エネルギーに、逆に電気エネルギーを機械エネルギーに変換することは驚くべきことでしたが、この発見は数十年にわたって祝われることはありませんでした。

圧電効果の働き方

石英などの圧電材料は、圧力、音波、その他の振動などの機械的ストレスを電気に、逆に電気を機械的ストレスに変換します。圧電材料が特定の方向に沿って圧縮されると、原子が移動し、電荷分布に非対称性が生じます。これにより、一方に純粋な負電荷、他方に純粋な正電荷が生じ、回路を通じて電圧を生成することができます。代わりに結晶を伸ばすと、電圧が反転し、逆方向に電流が流れるようになります。

圧電材料とは何か

材料の原子構造と、その中の電荷の分布が圧電材料かどうかを決定します。多くの材料は結晶であり、原子またはイオンが整然とした三次元の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、いくつかの結晶材料には対称性の中心がなく、圧電性の候補となります。

圧電材料の応用

圧電効果には、医療画像からインクジェットプリンターまで、幅広い応用があります。圧電石英結晶は、水中の物体を検出する音響機器に使用され、圧電デバイスは時計を正確に動かす石英結晶のリズミカルな振動に責任があります。圧電材料は、駅のホームでの歩行音やクラブでのダンサーの動きなど、機械的エネルギーから電気を生成するためにも使用できます。

圧電効果の未来

電気がますます重要なエネルギー源となるにつれ、圧電効果はより一般的になる可能性があります。すでに、乗客の足音で切符ゲートやディスプレイを駆動する駅や、圧電効果がライトを駆動するダンスクラブがあります。将来的には、バスケットボール選手が行き来することでスコアボードを駆動するために、または街を歩くことで電子デバイスを充電するために、圧電デバイスがさらに普及する可能性があります。