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圧電気(「物理学辞典」)

圧電気(「物理学辞典」)

圧電気

ある種の結晶に、特定の方向に力を加えると応力に比例した電気分極が 発生し、一対の結晶表面に正負の電荷が生じる。この現象を圧電気、圧電効果 または正圧電効果という。このような結晶に電場をかけると電場に比例した ひずみが生じる。これを逆圧電効果とよぶ。歴史的には圧電効果は電気石について、 J. Curie、P. Curie兄弟により1880年に発見された。結晶が圧電効果を示すか否かは 結晶の点群対象性によって決り、32の晶族のうち圧電効果を示すものは20晶族である。 それらは、(1)焦電性(→焦電気)を示す10の晶族、すなわち、三斜晶系:C1、 単斜晶系:Cs、C2、斜方晶系:C2v、正方晶系:C4、 C4v、三方晶系:C3、C3v、六方晶系:C6、C6v と、(2)そのほか10の晶族、すなわち、斜方晶系:D2、正方晶系:D4、D2d、S4、 三方晶系:D3、六方晶系:D6、C3h、C3h、 立方晶系:T、Tdである。分極(または電場)と応力(またはひずみ)の間の比例関係を 表す係数を圧電率という。分極ベクトルの成分をPi(i=1,2,3)、応力テンソルの成分を σi(i=1,・・・,6)とするとき、Pi=Σdijσjとなり、 dijが圧電率である。圧電率テンソルは3階のテンソルであり18個の成分をもつが、 結晶の対称性が高くなるに従い0でない成分の数は減少する。たとえば立方晶系のT、Td では、dijのうち、d14=d25=d36のみが有限で、 他はすべて0である。圧電性の物質としては、ロッシェル塩(KNaC4H4O6・4H2O、 室温でd14≒7X10-10C・N-1)、KDP(KH2PO4、室温でd36≒2X10-11C・N-1)、 チタン酸バリウム(BaTiO3、セラミックスの場合に室温で、d15≒4X10-10C・N-1)、などがある。 圧電効果、逆圧電効果は機械的変位と電気信号との相互変換に利用され、トランスデューサー、 マイクロホン、ピックアップなどに用いられる。圧電率の測定方法としては、結晶に静的な応力を 加えたとき発生する電荷を電位計で測定するような、いわゆる静的な方法も用いられるが、現在最も 精度が高いとされているのは共振法(→圧電気振動)である。

閃亜鉛鉱型構造のZnSやウルツ鉱型構造のCdSなどの半導体では、圧電効果はその半導性に大きな影響を 与える。たとえば、弾性的ひずみが電気分極を伴うため、半導体中の電子は音響型格子振動とも 長距離型の電気的相互作用をする。これは通常の半導体における短距離型の変形ポテンシャルによる 相互作用と比べると、高温になるほどその効果が相対的に大きくなってくる。(圧電型相互作用による 電子の移動度は絶対温度Tの−1/2乗に比例、変形ポテンシャルによる電子の移動度はTの-3/2乗に比例)。

圧電効果は限られた晶族に属する結晶において認められる現象であるが、微結晶と非晶域が混在するよう な高分子固体においてもその存在が確認された。高分子固体における圧電効果には 次の二種類がある。(1)力を加えたときの電気分極の変位と巨視的な力学変位とに差があることに 由来するもの(結晶構造に由来する本来の圧電性)。(2)高分子固体中(結晶域あるいは非晶域) に不均一な電荷分布(自発分極あるいは真電荷)が存在することによるもの。(1)の例としては セルロースやその誘導体の配向結晶、合成ポリペプチドの配向結晶、コラーゲンなどのタンパク質 などが知られており、生体組織の電気現象との関連で詳しく研究されている。(2)の例では ポリフッ化ビニリデンのβ型配向結晶を含むフィルムを高電場でポーリングし自発分極を形成させた エレクトレットがよく知られている。これは大きな圧電率をもつ大面積の薄膜という特性を 利用して、マイクロホンや超音波センサーなどへ応用されている。高分子固体は粘弾性体であるので 圧電率は一般に複素量となって振動応力の周波数に対する依存性を持ち、圧電緩和現象を示す。 圧電効果を示す高分子固体の多くは焦電効果をも示し、温度変化によって大きな電気分極の 変化が誘起されることが多い。


[参考文献]
「物理学辞典」(物理学辞典編集委員会) P.17〜18(株式会社培風館 1992年5月20日改訂版発行)
 
文・イオントレーディング店長 根本政春
(1996年 有限会社ユニバーサル企画入社)
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