磁石もコイルもないのに、部品を押すと電気が生じる。そんな資料が出てきたら、発電には必ず磁石が必要だという考えをいったん外しましょう。特定の材料には、力を受けて変形すると電気的な変化が生じる性質があります。これが圧電効果です。ただし、「押せば電気ができる」と「何もしなくても電気を取り出し続けられる」は同じではありません。
何でも押せば発電するわけではない
圧電効果をもつ材料の例に、水晶や圧電セラミックスがあります。ふつうの消しゴムや金属板も押せば変形しますが、変形するものがすべて圧電材料というわけではありません。問題文で材料の性質が与えられたときは、その条件を使って考えます。名前を知らない材料でも、示された記録から働きは読み取れます。
圧電材料では、力を加えてひずませると、表面に電荷が現れるなどの電気的な変化が起こります。その変化を回路で利用します。電気が、部品の中で燃料のように無限に作られるという意味ではありません。押す人や振動する物体から受け取った機械的なエネルギーが、電気のエネルギーへ移り変わります。
部品を使う図では、まず左側に「何が押したか」、右側に「電気を何に使うか」を書くと関係がはっきりします。発電したことだけに注目すると、押すためにした仕事を数え忘れます。足で踏む装置なら、歩く人の運動が入口です。振動を利用するなら、その振動を生むもとのエネルギーまでたどれます。
高い電圧と、大量の電気は別
短い時間に高い電圧が生じても、それだけで大きな電力を長時間供給できるとは限りません。電圧は電気の働きを考える一つの量ですが、取り出せるエネルギーを知るには、移動する電荷や時間なども必要です。「電圧が高い」という言葉だけを見て、家電を動かせると判断してはいけません。
圧電材料の利用には、わずかな振動から電気を取り出して小さな機器を動かす研究や製品があります。一方で、使う機器が必要とする量に届かなければ、発電を検出できても機器は動きません。検出器が反応すること、LEDが光ること、長時間運転できることは、それぞれ別の確認です。
例題1：押した仕事は、どこへ行く？
架空の装置で、板を一回押すときに与えた機械的なエネルギーを100とします。そのうち、蓄電部分に電気として残ったのが20、熱や音などへ移ったのが80でした。いずれも同じ単位で表した値です。電気として残った割合と、装置の外へ取り出せるエネルギーが100を超えたかどうかを答えましょう。
答え・解説： 電気として残った割合は20÷100×100＝20％です。20＋80＝100なので、この模型では100を超えるエネルギーを作ったわけではありません。図の矢印を見れば、電気だけを取り出して「20が突然生まれた」と数えるのが誤りだと分かります。
20％はこの例題の仮の値です。圧電材料ならどれでも同じ割合になるとはいえません。材料、形、押し方、電気を取り出す回路によって結果は変わります。計算で求めた値を、問題の条件を外して実物の性能として使わないようにします。
例題2：押したままなら、毎秒同じだけたまる？
ある教材装置について、押す・戻すを一回行うごとに、蓄電部分に2mJずつ残るという記録があります。10回繰り返した場合にたまる量を求めてください。途中の漏れは無視します。また、一回押してそのまま10秒止めた場合も、20mJたまるといえますか。
答え・解説： 10回繰り返した場合は2×10＝20mJです。一回押したまま止める場合については、この記録から20mJとはいえません。与えられた2mJは「一回の押す・戻す」に対する量であって、「一秒ごと」に対する量ではないからです。
この違いは、単位の後ろを言葉で読むと見つかります。一回当たりを毎秒当たりへ勝手に変えると、計算の数字は合っていても、別の出来事を計算したことになります。力を一定に保つだけで、同じ電力がいつまでも得られるという解釈はできません。実際の測定には漏れや回路の条件も関わります。
電気を加えて、逆に動かす利用もある
圧電材料には、電圧を加えると伸び縮みする逆の利用もあります。この性質は、細かな位置の調整や振動を起こす部品で使われます。ただし、押して発電する図と、電気を使って動かす図では、エネルギーの入口と出口が逆です。同じ材料の名前が出ても、どちら向きの働きを問うているかを確かめます。
二つの働きをつなげれば、損失なくぐるぐる回って永久に発電できる、ということにもなりません。各段階で外へ移る分を含めて収支を取る必要があります。変換できることと、全量を目的の形で取り戻せることを分けてください。
磁石とコイルで電気を生む仕組みは電磁誘導と磁石の動き、発電とためる働きの区別は光電池と蓄電へ。新しい発電の話に出会ったら、装置の名前を覚える前に「何を受け取り、何へ変えたか」を一本の矢印にしてみましょう。