圧電効果は、19世紀の終わりにフランスの科学者キュリー兄弟によって発見されました。当時、発見された現象の実用化について語るのは時期尚早でしたが、現在、圧電素子は技術や日常生活の両方で広く使われています。
圧電効果の本質
有名な物理学者は、いくつかの結晶（水晶、トルマリンなど）が変形すると、それらの面に電荷が発生することを確立しました。同時に、電位差は小さいものの、当時存在していた装置で確実に固定され、反対極性の電荷を持つ部分を導体でつなぐことで、 電気。この現象は、圧縮または伸長の瞬間に、ダイナミクスでのみ修正されました。静的モードでの変形は、圧電効果を引き起こしませんでした。
すぐに、反対の効果が理論的に正当化され、実際に発見されました-電圧が印加されると、結晶が変形しました。両方の現象が相互に関連していることが判明しました-物質が直接圧電効果を示す場合、その逆もそれに固有であり、逆もまた同様です。
この現象は、異方性型の結晶格子（方向によって物性が異なる）と非対称性が十分にある物質や、多結晶構造で見られます。
どの固体でも、加えられた外力は変形と機械的応力を引き起こし、圧電効果のある物質では、それらは電荷の分極も引き起こし、分極は加えられた力の方向に依存します。露光方向を変えると、偏光方向と電荷の極性の両方が変わります。分極の機械的応力への依存性は線形であり、式P = dtで表されます。ここで、tは機械的応力、dは圧電モジュール（圧電モジュール）と呼ばれる係数です。
逆圧電効果でも同様の現象が発生します。印加電界の方向が変わると、変形の方向も変わります。ここで、依存性も線形です。r= dE、ここでEは電界強度、rはひずみです。係数dは、すべての物質の直接および逆圧電効果で同じです。
実際、上記の式は単なる推定値です。実際の依存関係ははるかに複雑であり、結晶軸に対する力の方向によっても決定されます。
圧電効果のある物質
初めて、圧電効果が岩石結晶（水晶）に見られました。今日まで、この材料は圧電素子の製造で非常に一般的ですが、製造には天然材料だけが使用されているわけではありません。
多くの圧電素子は、ABO式の物質から作られています。3、例：BaTiO3、РbТiO3。これらの材料は多結晶（多くの結晶からなる）構造を持っており、圧電効果を発揮するためには、外部電界を利用して分極する必要があります。
フィルム圧電（ポリフッ化ビニリデンなど）を得ることができる技術があります。それらに必要な特性を与えるために、それらはまた、電界中で長期間分極される必要があります。このような材料の利点は、厚さが非常に薄いことです。
圧電効果のある物質の性質と特性
分極は弾性変形中にのみ発生するため、ピエゾ材料の重要な特性は、外力の作用下で形状を変化させる能力です。この能力の値は、弾性コンプライアンス（または弾性剛性）によって決定されます。
圧電効果のある結晶は非常に弾力性があり、力（または外部応力）を取り除くと元の形状に戻ります。
圧電結晶には、独自の機械的共振周波数もあります。この周波数で水晶を振動させると、振幅が特に大きくなります。
圧電効果は、結晶全体だけでなく、特定の条件下で切断されたそれらのプレートによっても現れるため、幾何学的寸法と切断の方向に応じて、異なる周波数で共振する圧電物質の断片を得ることができます。
また、圧電材料の振動特性は、機械的品質係数によって特徴付けられます。これは、等しい力を加えると、共振周波数での振動の振幅が何倍になるかを示しています。
圧電素子の特性は温度に明らかに依存します。これは、結晶を使用するときに考慮する必要があります。この依存関係は、次の係数によって特徴付けられます。
- 共振周波数の温度係数は、水晶が加熱/冷却されたときに共振がどれだけなくなるかを示します。
- 温度膨張係数は、圧電プレートの直線寸法が温度とともにどの程度変化するかを決定します。
特定の温度で、圧電結晶はその特性を失います。この限界はキュリー温度と呼ばれます。この制限は、材料ごとに異なります。たとえば、クォーツの場合は+573°Cです。
圧電効果の実用化
圧電素子の最も有名な用途は、点火素子としてです。圧電効果は、ガスストーブのポケットライターやキッチンイグナイターで使用されます。水晶を押すと電位差が生じ、エアギャップに火花が発生します。
圧電素子のこの応用分野は尽きません。同様の効果を持つ結晶をひずみゲージとして使用できますが、この使用領域は、ダイナミクスにのみ現れる圧電効果の特性によって制限されます-変化が停止すると、信号の生成が停止します。
圧電結晶はマイクとして使用できます。音波にさらされると、電気信号が形成されます。逆圧電効果により、サウンドエミッターなどの要素を（場合によっては同時に）使用することもできます。電気信号が水晶に印加されると、圧電素子は音波を生成し始めます。
このようなエミッターは、特に医療技術において超音波を生成するために広く使用されています。で これ プレートの共振特性も使用できます。固有振動数のみを選択する音響フィルターとして使用できます。もう1つのオプションは、音源（サイレン、検出器など）の圧電素子を周波数設定および消音素子として同時に使用することです。この場合、常に共振周波数で音が発生し、少ないエネルギー消費で最大音量が得られます。
共振特性は、無線周波数範囲で動作する発電機の周波数を安定させるために使用されます。クォーツプレートは、周波数設定回路において非常に安定した高品質の発振回路の役割を果たします。
弾性変形のエネルギーを産業規模で電気エネルギーに変換する素晴らしいプロジェクトがまだあります。たとえば、歩行者や車の重力の影響下での舗装の変形を使用して、トラックのセクションを照らすことができます。航空機の翼の変形エネルギーを使用して、航空機ネットワークを提供できます。このような使用は圧電素子の不十分な効率によって制約されますが、パイロットプラントはすでに作成されており、さらなる改善の見込みが示されています。
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