How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

翻訳: Satya Srk 校正: Misaki Sato

This is a crystal of sugar.

これは砂糖の結晶です

If you press on it, it will actually generate its own electricity.

圧力を加えると なんと自身で電気を生成します

How can this simple crystal act like a tiny power source?

こんな単純な結晶がなぜ 小さな動力源のような働きをするのでしょう

Because sugar is piezoelectric.

砂糖には 圧電効果があるからです

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

圧電体は機械的応力 例えば

like pressure,

圧力や

sound waves,

音波や

and other vibrations

その他の振動などを

into electricity and vice versa.

電気に変えます 逆も成り立ちます

This odd phenomenon was first discovered

この奇妙な現象を最初に発見したのは

by the physicist Pierre Curie and his brother Jacques in 1880.

1880年 物理学者ピエール・キュリーと その兄ジャックでした

They discovered that if they compressed thin slices of certain crystals,

特定の結晶の薄切りを圧迫すると

positive and negative charges would appear on opposite faces.

正と負の電荷が対面に現れることを 発見したのです

This difference in charge, or voltage,

この電荷の差 つまり電圧が生じ

meant that the compressed crystal could drive current through a circuit,

圧迫された結晶が 回路内に電流を 流せることを意味していました

like a battery.

電池のようにです

And it worked the other way around, too.

そして順序が逆でも 機能しました

Running electricity through these crystals made them change shape.

これらの結晶に電気を流すと 変形したのです

Both of these results,

これら両方の

turning mechanical energy into electrical,

力学的エネルギーを電気エネルギーに

and electrical energy into mechanical,

電気エネルギーを力学的なものに変える結果は

were remarkable.

特筆すべきものでした

But the discovery went uncelebrated for several decades.

ですがこの発見は 何十年も 日の目を見ませんでした

The first practical application was in sonar instruments

最初の応用は 第一次世界大戦中

used to detect German submarines during World War I.

ドイツの潜水艦を発見するためのソナーでした

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

ソナーの発信機の中の圧電水晶は

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

交流電圧を加えると振動しました

That sent ultrasound waves through the water.

これが水中に超音波を送りました

Measuring how long it took these waves to bounce back from an object

この超音波が物体から跳ね返るのに かかった時間を測ることで

revealed how far away it was.

その物体までの距離が明らかになりました

For the opposite transformation,

力学的エネルギーを電気的なものに変える

converting mechanical energy to electrical,

逆の変換については

consider the lights that turn on when you clap.

手を叩くと点灯するライトを考えてみましょう

Clapping your hands send sound vibrations through the air

手を叩くことで空気中に音波振動が送られ

and causes the piezo element to bend back and forth.

圧電素子を前後にたわませることになります

This creates a voltage that can drive enough current to light up the LEDs,

これでLEDの点灯に十分な電流が流せる 電圧が発生します

though it's conventional sources of electricity that keep them on.

ただし 電圧を維持するのは 既存の電源ですが

So what makes a material piezoelectric?

では 物質が圧電効果を持つ理由は何でしょう

The answer depends on two factors:

答えは２つの要因で決まります：

the materials atomic structure,

物質の原子構造と

and how electric charge is distributed within it.

その中で電荷がどのように分布しているかです

Many materials are crystalline,

多くの物質は結晶体です

meaning they're made of atoms or ions

つまり 原子またはイオンが

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

秩序正しく三次元立体構造の中に 配列されているのです

That pattern has a building block called a unit cell

その構造は 何度も繰り返す 単位格子という

that repeats over and over.

構成要素を有しています

In most non-piezoelectric crystalline materials,

ほとんどの非圧電性結晶物質では

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

単位格子内の原子は 中心点の周りに

around a central point.

対称的に分布しています

But some crystalline materials don't possess a center of symmetry

ですが 対称中心を持たない結晶物質があり

making them candidates for piezoelectricity.

それが圧電気の候補となります

Let's look at quartz,

水晶を見てみましょう

a piezoelectric material made of silicon and oxygen.

ケイ素と酸素で構成されている圧電体です

The oxygens have a slight negative charge and silicons have a slight positive,

酸素はわずかに負電荷を ケイ素は正電荷を有するため

creating a separation of charge,

電荷の分離 つまり

or a dipole along each bond.

各結合に沿った双極子を生成します

Normally, these dipoles cancel each other out,

通常 これら双極子は互いに打ち消し合うので

so there's no net separation of charge in the unit cell.

単位格子中では正味の電荷分離は起こりません

But if a quartz crystal is squeezed along a certain direction,

ですが 水晶が一定の方向に圧迫された場合

the atoms shift.

原子は変化します

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

電荷分布が非対称となってしまうため

the dipoles no longer cancel each other out.

双極子は互いに打ち消し合えなくなるのです

The stretched cell ends up with a net negative charge on one side

伸縮した格子は 片側では正味の負電荷に

and a net positive on the other.

他方では正味の正電荷になってしまいます

This charge imbalance is repeated all the way through the material,

この電荷の不均衡が物質全体で繰り返され

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

相反する電荷が結晶の対面に集まります

This results in a voltage that can drive electricity through a circuit.

この結果 回路中に電流を通せる電圧が もたらされるのです

Piezoelectric materials can have different structures.

圧電体それぞれの構造は異なりますが

But what they all have in common is unit cells which lack a center of symmetry.

対称中心がない単位格子を 持つという共通点があります

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

そして 圧電体への圧迫が強ければ強いほど

the larger the voltage generated.

生じる電圧は大きくなります

Stretch the crystal, instead, and the voltage will switch,

代わりに結晶を引き延ばすと 電圧が切り替わり

making current flow the other way.

逆方向に電流が流れます

More materials are piezoelectric than you might think.

圧電効果を持つ物質は 想像以上にたくさん存在します

DNA,

DNAや

bone,

骨や

and silk

シルク

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

これらはすべて 力学的エネルギーを 電気エネルギーに変換できます

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

科学者達は様々な合成圧電体を創り出し

and found applications for them in everything from medical imaging

医用画像からインクジェットプリンターまで

to ink jet printers.

あらゆるものへ応用してきました

Piezoelectricity is responsible for the rhythmic oscillations

圧電気により水晶は周期的に振動します

of the quartz crystals that keep watches running on time,

これにより時計の時間が正確に保たれます

the speakers of musical birthday cards,

他にも 誕生日カードのスピーカーや

and the spark that ignites the gas in some barbecue grill lighters

カチッとスイッチを入れると BBQ用ライターのガスが発火する

when you flick the switch.

火花の要因でもあります

And piezoelectric devices may become even more common

圧電素子は今後さらに一般的になるでしょう

since electricity is in high demand and mechanical energy is abundant.

電気の需要は高く 力学的エネルギーは 豊富なのですから

There are already train stations that use passengers' footsteps

もうすでに 乗客の足取りを

to power the ticket gates and displays

自動改札の電力に利用している駅や

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

圧電気でライトを灯す動力にしている ダンスクラブがあります

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

バスケットボール選手が走り回れば スコアボードの動力になるでしょうか

Or might walking down the street charge your electronic devices?

街を歩けば 電子機器に充電が 出来るようになるでしょうか

What's next for piezoelectricity?

圧電気の今後やいかに？