圧電効果とは？圧力をかけるとどの程度の電気が発生する？

圧電現象は物理的な力によって圧電素子に分極といってコンデンサーを自発的に充電したような状態になるので、
電流として取り出すと電圧はなくなります。水力発電所のダムと同じで継続してエネルギーを取り出すには加える力も繰り返す必要があります。またその本質から電力を取り出すには向いてないです。

圧電現象は物理的な力によって圧電素子に分極といってコンデンサーを自発的に充電したような状態になるので、
電流として取り出すと電圧はなくなります。水力発電所のダムと同じで継続してエネルギーを取り出すには加える力も繰り返す必要があります。またその本質から電力を取り出すには向いてないです。

ある物理量を別の物理量に変える働きをするものがあります。
例えば、
　太陽電池：光→電気　　　電球：電気→光
　発電機：運動→電気　　　モータ：電気→運動
　ヒータ：電気→熱
圧電素子は発電機と同じく運動→電気の働きをします。では、発電機になるのでしょうか。

物理量の種類が変わっても、エネルギーの大きさは元のまま変わりません。変わらないだけではなく、無駄に使われてしまう分があるために、ほとんど全ての場合、小さくなります。電球の例では、使われた電気は光だけではなく熱に変わる分もあるので、元の電気エネルギーが全て光のエネルギーに変わるのではありません。電球に表示されたW（ワット）数は使う電気エネルギーの大きさを表しています。蛍光灯が同じワット数の電球よりも明るいのは、熱に変わるよりも光に変わるエネルギーの割合が、電球よりも蛍光灯の方が多いためです。元のエネルギーと変わった後のエネルギーの割合を「変換効率」と呼びます。

水力発電は水が流れ続けることによって、連続的に電気を取り出すことができます。ダムに水を貯めても、水をせき止めたまま流さなければ、電気を取り出すことはできません。
圧電素子の場合、力を加えて変形している状態が、水力発電でいう水を貯めた状態に相当します。連続的に電気を取り出し続けるためには、変形を続けなければなりません。
固体ですから、変形量には限りがあります。そこで、力のかかる方向を変えることを繰り返して、電気を取り出します。漬物石を素早く揺するようなイメージです。
それでも、やはり固体ですから、揺れ幅を大きくすることはできないので、大きな電気エネルギーを取り出すことは困難です。

ついでに電圧と電流をダムの比喩で説明すると、電圧…水位、電流…流れる水の量に相当します。圧電素子は高い電圧を発生できても、電流を多く取り出すことはできません。高くて幅が狭いダムのようなものです。

圧電素子による発電によって電球を点けることをお考えのようですがおそらく不可能です。絶対とはいいませんが！効率とは圧電素子に加えた変形ー仕事と取り出す電気エネルギーの比ですから、発電効率は著しく低い部類です。最近流行りの手回しの懐中電灯のほうがずっといいです。

圧力を加え歪が生じるときに発電するのですが、ある程度の変位速度が必要です。5kgを1秒に1回、乗せたり降ろしたりし、そのときの圧電素子が0.1mm変位すると仮定すると、9.8x5x0.1x10^-3x効率（ｗ）に成ります。実用的には高調波（数10khz）の振動がれば、70%前後の効率で発電可能です。感覚的理解では、子供用でかかとが光る靴がありますが、一踏み20mA秒程度です。

(w)はワットです。0.1x10^-3はEXCEL関数表示で0.1ｘ10のマイナス3乗の意です（ﾀｲﾋﾟﾝｸﾞの便宜上よく使用されます）。計算結果は約0.005（ｗ）ｘ効率と成ります。0.005wが1秒間（5kgを乗せ降し1回）に働く機械的エネルギ-となり、圧電素子の効率を乗じた値が出力電力となります。このくだりに関する概念は「仕事、仕事率、位置エネルギー、運動エネルギー、変位」などをキーワードとして参考書を選択してみてください。私の推奨は高校の物理の教科書です（難解な数式がなく、技術入門書としてお勧めです）。
1ｗの豆電球を点灯させるためには、1w以上の機械的エネルギーが必要ですが、前述の例にあてはめると、0.005wを200倍以上する必要があります。すなわち、荷の乗せ降しを200回/秒のペースでしなければなりません。これは無理ですので、何らかの機械的振動を加える必要が生じます。高周波数で振動する場所に、圧電素子を固定し、振動方向、固有振動数、取付方法などの問題を克服すれば、豆電球の点灯は可能です。但し、実験的試みの範ちゅうでしか効果は期待できません（懐中電灯が遥かに有効）。回路図としては、複数の圧電素子を並列に接続すれば、電流を増加できますが、詳細な方法は解りません。以上参考までに

お礼

2005/04/29 14:27

詳しいご説明を頂きありがとうございます。
9.8x5x0.1x10^-3x効率（ｗ）というのはどの程度なのでしょうか。
（ｗ）というのはワットのことですか？
また、70%前後の効率で発電可能とは何に対して７０％なのでしょうか。
最後の子供用のかかとが光る靴のお話は私にとっては非常に解りやすかったです。
例えば、３０cmの物差し状（40mm×300mm×5mm）の圧電素子があったとして、１０kgのものを圧電素子全体に均一に１秒に１回、６０秒間（変位は０.１mm）乗せたりおろしたりした場合の計算はどのようになるのでしょうか？
豆電球（1.5ｖ）を６０秒間、燈す程度のことはできるのでしょうか？もしできるとすれば、どのような回路図になるのでしょうか？

私には、＾-3×効率 ←のところの意味すら理解できていないのです。

ご説明頂いておきながら申し訳ございませんが、おひまな時にでもご教示頂けましたら幸いです。よろしくお願い致します。

質問者