압전 효과란 무엇인가?
압전 효과는 특정한 결정체(예: 석영이나 로셸염)나 특정한 세라믹(예: 바륨 티타네이트)에 압력을 가했을 때 전기적 충전이 발생하는 현상을 말합니다. 이러한 물질들은 기계적인 스트레스가 가해질 때 전기적인 충전을 발생시킬 수 있는 능력이 있으며, 이러한 현상을 압전 효과라고 합니다. 이러한 물질에서는 힘의 방향으로 전자가 궤도에서 밀려날 수 있습니다. 전자는 물질의 한쪽 면에서 떠나 반대쪽에 축적되어, 양쪽 면에 양전하와 음전하가 형성됩니다. 예를 들어, 올바르게 힘이 가해진 1 cm3 크기의 석영 큐브는 12500V의 전압을 생성할 수 있습니다.
압전 효과의 원리
압전 효과는 특정한 결정체나 세라믹에 압력을 가함으로써 발생합니다. 이러한 물질들에서는 전자가 힘의 방향으로 궤도에서 벗어날 수 있습니다. 전자는 물질의 한 면에서 이탈하여 반대쪽에 축적되며, 이로 인해 양쪽 면에 양전하와 음전하가 형성됩니다. 압력이 해제되면 전자들은 다시 자신의 궤도로 돌아갑니다. 어떤 물질들은 굽힘 압력에 반응하는 반면, 다른 물질들은 비틀림 압력에 반응합니다. 이러한 전압 생성 현상을 압전 효과라고 합니다.
압전 물질의 기능
압전 물질은 두 가지 주요 기능을 가집니다:
변형에서 전기로: 이 기능은 기계적 변형을 전기적 충전으로 변환하는 직접 압전 효과입니다. 예를 들어, 올바르게 힘이 가해진 1 cm3 크기의 석영 큐브는 12500V의 전압을 생성할 수 있습니다.
전기에서 변형으로: 이 기능은 전기적 잠재력을 기계적 변형으로 변환하는 역(逆) 압전 효과입니다. 따라서 전기장을 가하여 물질을 확장시키거나 수축시킬 수 있습니다. 예를 들어, 리드 지르코네이트 타이타네이트 결정은 원래 크기의 약 0.1% 변형될 때 측정 가능한 압전성을 발생시킵니다. 반대로, 외부 전기장이 가해지면 이러한 결정은 자신의 정적 차원의 약 0.1% 변화합니다. 역 압전 효과는 초음파 파동의 생성에 사용됩니다.
압전 효과의 응용
압전 효과의 가장 잘 알려진 응용 중 하나는 전기 라이터입니다. 버튼을 누르면 스프링으로 작동하는 망치가 압전 결정을 치게 되고, 이로 인해 충분히 높은 전압의 전기 전류가 생성되어 작은 스파크 갭을 통해 흐르게 됩니다. 이것은 가스를 가열하고 점화시킵니다.
