圧電効果とは何ですか？
圧電効果は、物理的ストレスにさらされると電界または電流を生成する特定の結晶のユニークな特性です。 同じ効果が逆に観察される場合もあります。この場合、結晶に電界が加わると、その構造にストレスがかかります。 圧電効果は、さまざまなセンサーおよび回路アプリケーションで使用される電気部品であるトランスデューサーにとって不可欠です。 電気機械装置への応用に対するこの現象の汎用性にもかかわらず、それは1880年に発見されましたが、約半世紀後まで普及しませんでした。 圧電効果を示す結晶構造の種類には、石英、トパーズ、KNaC 4 H 4 O 6 4H 2 Oの化学式を持つカリウム塩の一種であるロッシェル塩が含まれます。
妻のマリーと放射線の研究で1903年のノーベル物理学賞を受賞したことで有名なピエールキュリーは、1880年に弟のジャックキュリーと圧電効果を発見したことで知られています。兄弟は当時、逆圧電効果を発見していませんただし、電気が結晶を変形させる場所。 フランコルクセンブルグの物理学者であるガブリエルリップマンは、翌年の逆効果の発見で功績があり、1883年に最初の実験的心電図（ECG）マシンの動作の中心となるデバイスであるリップマンエレクトロメーターを発明しました。
圧電効果には、非常に低い電流レベルで数千ボルトの電気エネルギー電位差を発生させることが多いという独特の特性があります。 これにより、小さな圧電結晶でさえ、ガスオーブンなどの点火装置で火花を発生させるのに有用な物体になります。 圧電結晶の他の一般的な用途には、顕微鏡、プリンター、電子時計の正確な動きを制御することが含まれます。
圧電効果が発生するプロセスは、結晶格子の基本構造に基づいています。 結晶は一般に、結晶格子の硬い平面に沿って負と正の電荷が互いに正確に相殺する電荷バランスを持っています。 結晶に物理的ストレスを加えることでこの電荷バランスが崩れると、エネルギーが電荷キャリアによって伝達され、結晶に電流が発生します。 逆圧電効果により、結晶に外部電界を印加すると中性電荷状態のバランスが崩れ、その結果、機械的応力と格子構造のわずかな再調整が生じます。
2011年の時点で、圧電効果は広く独占されており、クォーツ時計から給湯器の点火装置、ポータブルグリル、さらには一部のハンドヘルドライターまで、すべてに使用されています。 コンピュータープリンターでは、インクの流れをブロックするために、インクジェットのノズルで微小結晶が使用されます。 それらに電流が印加されると、それらが変形し、インクが慎重に制御された量で紙に流れ、テキストと画像が生成されます。
圧電効果を使用して、時計の小型スピーカーや、建設業のスタッドファインダーなどの物体間の距離を測定する音波トランスデューサーの音を生成することもできます。 超音波トランスデューサは、多くのマイクロフォンと同様に圧電結晶にも基づいています。 2011年時点では、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、またはジルコン酸鉛から作られた結晶を使用しており、これらの技術の初期の標準結晶であるロッシェル塩よりも低い電圧を生成します。
2011年現在、圧電効果を利用する最先端の技術の1つは、原子や小分子の構造を視覚的に調べるために使用される走査型トンネル顕微鏡（STM）の技術です。 STMは、ナノテクノロジーの分野における基本的なツールです。 STMで使用される圧電結晶は、わずか数ナノメートルまたは10億分の1メートルのスケールで測定可能な運動を生成できます。