圧電効果とは
圧電効果とは、特定の結晶（例えば石英やロッシェル塩）や特定のセラミックス（例えばチタン酸バリウム）に圧力を加えることで発生する電気荷を指します。これらの材料に機械的ストレスを適用すると電気荷を生じる能力があります。このような材料では、電子が力の方向に軌道から駆動されることができます。電子は材料の一方の側から離れ、他方の側に蓄積し、対向する側に正と負の電荷を構築します。例えば、2kNの正しく適用された力で1cm3の石英の立方体は、12500Vの電圧を生み出すことができます。
圧電効果の原理
圧電性は、特定の結晶やセラミックスに圧力を加えることによって生じます。このような材料では、力の方向に電子が軌道から駆動されます。電子は材料の一方の側から離れ、他方の側に蓄積し、対向する側に正と負の電荷を構築します。圧力が解放されると、電子はその軌道に戻ります。一部の材料は曲げ圧力に反応し、他の材料はねじれ圧力に反応します。この電圧の生成は圧電効果として知られています。
圧電材料の機能
圧電材料には二つの主な機能があります。一つ目は、機械的なひずみを電気荷に変換する直接圧電効果です。例えば、2kNの正しく適用された力で1cm3の石英の立方体は、12500Vの電圧を生み出すことができます。二つ目は、逆圧電効果と呼ばれ、適用された電気ポテンシャルを機械的ひずみに変換します。したがって、電場を適用して材料の膨張または収縮を誘発することができます。例えば、静的構造が元の寸法の約0.1%変形すると、鉛ジルコン酸チタン結晶は測定可能な圧電性を発生します。逆に、外部電場が適用されると、これらの同じ結晶は静的寸法の約0.1%を変化させます。逆圧電効果は、超音波波の生成に使用されます。
圧電効果の応用
最もよく知られている応用例は、電気ライターです。ボタンを押すと、バネ仕掛けのハンマーが圧電結晶を打ち、十分に高い電圧の電流を生じさせ、これが小さなスパークギャップを越えて流れ、ガスを加熱し点火します。圧電性は、このように日常生活で広く利用されているだけでなく、産業や科学技術の多岐にわたる分野でその応用が拡がっています。
