これは砂糖の結晶です
圧力を加えると なんと自身で電気を生成します
こんな単純な結晶がなぜ 小さな動力源のような働きをするのでしょう
砂糖には 圧電効果があるからです
圧電体は機械的応力 例えば
圧力や
音波や
その他の振動などを
電気に変えます 逆も成り立ちます
この奇妙な現象を最初に発見したのは
1880年 物理学者ピエール・キュリーと その兄ジャックでした
特定の結晶の薄切りを圧迫すると
正と負の電荷が対面に現れることを 発見したのです
この電荷の差 つまり電圧が生じ
圧迫された結晶が 回路内に電流を 流せることを意味していました
電池のようにです
そして順序が逆でも 機能しました
これらの結晶に電気を流すと 変形したのです
これら両方の
力学的エネルギーを電気エネルギーに
電気エネルギーを力学的なものに変える結果は
特筆すべきものでした
ですがこの発見は 何十年も 日の目を見ませんでした
最初の応用は 第一次世界大戦中
ドイツの潜水艦を発見するためのソナーでした
ソナーの発信機の中の圧電水晶は
交流電圧を加えると振動しました
これが水中に超音波を送りました
この超音波が物体から跳ね返るのに かかった時間を測ることで
その物体までの距離が明らかになりました
力学的エネルギーを電気的なものに変える
逆の変換については
手を叩くと点灯するライトを考えてみましょう
手を叩くことで空気中に音波振動が送られ
圧電素子を前後にたわませることになります
これでLEDの点灯に十分な電流が流せる 電圧が発生します
ただし 電圧を維持するのは 既存の電源ですが
では 物質が圧電効果を持つ理由は何でしょう
答えは２つの要因で決まります：
物質の原子構造と
その中で電荷がどのように分布しているかです
多くの物質は結晶体です
つまり 原子またはイオンが
秩序正しく三次元立体構造の中に 配列されているのです
その構造は 何度も繰り返す 単位格子という
構成要素を有しています
ほとんどの非圧電性結晶物質では
単位格子内の原子は 中心点の周りに
対称的に分布しています
ですが 対称中心を持たない結晶物質があり
それが圧電気の候補となります
水晶を見てみましょう
ケイ素と酸素で構成されている圧電体です
酸素はわずかに負電荷を ケイ素は正電荷を有するため
電荷の分離 つまり
各結合に沿った双極子を生成します
通常 これら双極子は互いに打ち消し合うので
単位格子中では正味の電荷分離は起こりません
ですが 水晶が一定の方向に圧迫された場合
原子は変化します
電荷分布が非対称となってしまうため
双極子は互いに打ち消し合えなくなるのです
伸縮した格子は 片側では正味の負電荷に
他方では正味の正電荷になってしまいます
この電荷の不均衡が物質全体で繰り返され
相反する電荷が結晶の対面に集まります
この結果 回路中に電流を通せる電圧が もたらされるのです
圧電体それぞれの構造は異なりますが
対称中心がない単位格子を 持つという共通点があります
そして 圧電体への圧迫が強ければ強いほど
生じる電圧は大きくなります
代わりに結晶を引き延ばすと 電圧が切り替わり
逆方向に電流が流れます
圧電効果を持つ物質は 想像以上にたくさん存在します
DNAや
骨や
シルク
これらはすべて 力学的エネルギーを 電気エネルギーに変換できます
科学者達は様々な合成圧電体を創り出し
医用画像からインクジェットプリンターまで
あらゆるものへ応用してきました
圧電気により水晶は周期的に振動します
これにより時計の時間が正確に保たれます
他にも 誕生日カードのスピーカーや
カチッとスイッチを入れると BBQ用ライターのガスが発火する
火花の要因でもあります
圧電素子は今後さらに一般的になるでしょう
電気の需要は高く 力学的エネルギーは 豊富なのですから
もうすでに 乗客の足取りを
自動改札の電力に利用している駅や
圧電気でライトを灯す動力にしている ダンスクラブがあります
バスケットボール選手が走り回れば スコアボードの動力になるでしょうか
街を歩けば 電子機器に充電が 出来るようになるでしょうか
圧電気の今後やいかに？