機械的ストレスを受けると特定の結晶性鉱物は、変わった特徴を示し、結晶は電気的に分極化します。 今、これらの電圧生成結晶の一つが電界に晒されると、磁場の強さに比例して結晶が伸縮するのが見られます。 この結晶性固体の現象は、圧電効果として知られています。 この効果は、１８８８年にピエールとジャック・キュリーによって発見されました。 この名前は、「絞る」または「圧迫する」という意味の、ギリシャ語「ピアゾ」に由来します。 圧電性効果は、変位センサのようにあちこちに適用されています。 逆圧電効果は、音波や超音波信号を発生させる事や、位置決めをコントロールするモーターに適用できることが分かっています。
利点
電子機器や発電に使用する： 圧電性効果は、高度な機械的制御が要求される機器に、その用途を見つけています。 その用途の一つに、走査型トンネル顕微鏡があります。 トパーズや水晶、蔗糖、トルマリンの様な結晶性物質は、正と負の電荷の複数のインターロッキング領域を持つ結晶を含んでいます。 結晶に圧力を加えると、対称性が穏やかに乱され、これが何千もの電圧を発生します。
圧電性は時計やモーター、センサーやライト、トランスデューサ―に使われています。 また、医療用超音波装置も、内臓をスキャンしたり、超音波を使って手術を行ったりします。 一部のエンジンはこの効果を利用して、火花を作りエンジンを点火します。 拡声器は、光から音を作るために圧電性を利用しています。 多くの他の高機能装置は、小さな機械的変位を得るために圧電性を使っています。
機械的ストレスを適用して電気を発生させるので、圧電性が結晶素材の能力が全てです。 これは将来、クリーンで持続可能なエネルギーになる可能性があります。 エネルギーを発生させる道路、音で電力を作る携帯電話、舗道で電力を得る街灯、環境に優しいコンセプトカーや、風の流れで電力を得る車両等は、圧電性が使用される可能性のある、驚異的なアプリケーションの一部です。 東京駅は圧電性を使用する最高水準の例です。 システムは、人々が改札を通ると電気を発電し、この電気は、駅の全電子システムを表示する為に使用されます。
改善する事ができるか？
圧電セラミック製品を間に合わせて作り、それを改良していく取り組みがなされています。 現在、固体運動の研究が集中的に行われていて、それは、電気の消費量が低く信頼性の高い、手頃な価格の起動装置を作る事に、焦点を当てています。 ソレノイドの交換と静電気を帯びた筋肉についての研究が行われていて、完璧な圧電素材を得る事に成功し、価値ある進展がみられる日も遠くはありません。 世界中の国々が、圧電性が限界なく使用できるよう、この分野の研究に多大な投資をしています。
欠点
１．圧電性装置は、連続して十分な電力を供給するには、有効とは言えません： 機械的ストレスの適用に依存して電気を発電するので、常に一定ではありません。 例えば、駅で、改札を通る人の数は、まばらな時とかなり大きな数になる時があります。 これは発電量の変動の原因となり、時には全く電気を得られずに終わる事があります。 これが意味するのは、全電子ディスプレイがバックアップが必要となり、圧電性だけで稼働する事ができません。
２．圧電素材は、一定の力を持っていないので、電圧を生成するために事前に負荷をかけておく必要があります。
３．圧電性物質は非常に高価で、コスト面での妨げとなりえます。 その上、これは郊外や農村部では実現の可能性が低く、機械的ストレスを適用する、沢山の通勤者がいつもいる訳ではないからです。
これを排除して良いのか？
圧電装置から一定の電力を得る、ただ一つの解決策は電力不足が生じた時に対応できる、十分なバックアップシステムを持つ事です。 これらのバッテリーは、一定の電力を供給するために高容量のバッテリーである必要があります。 これもまた少し高価で、適切に行うためにきちんとした計画が必要です。
難点
圧電性は抑制されたストロークを生成する： 流動的な電力の適応が懸念される所では、ゆっくりとしたストロークが生成され、これが圧電性装置の大きな欠点となります。 さらに起動装置システムは、圧電起動装置と、それを主要する起動システムの間の、様々な熱膨張係数によって、温度補完メカニズムを組み込む必要があります。
結論
圧電性は確かに、クリーンエネルギーシステムのために、様々な適用で発電する、適切な場所を見出しています。 圧電性センサーは、他には見られない驚異的な能力を提供しています。 その広い周波数や振幅範囲は利点となりますが、電力の安定供給出来ない面では、欠点になります。 しかし、その限界を実用的に解決するには、近い将来完全な代替発電に育つ前に、完全な研究が必要です。
