水晶の圧電効果

「水晶＝キラキラした綺麗な石」

くらいの認識の人は多いと思います。

でも実は、綺麗なだけじゃないんです。 押したり曲げたりすると電気が生まれるという、ちょっと驚きの性質を持っています。

占いやパワーストーンの話ではなく、これはれっきとした物理現象。
名前もちゃんとあって、 圧電効果と呼ばれています。

鉱物なのに、電気を生む──どうしてそんなことが起きるのか。

このページでは、電気が生まれる過程で、水晶の中で何が起きているのかを、できるだけかみ砕いて、順番にひも解いていきましょう。

水晶は押すと電気を生む性質をもつ

透明度の高い水晶の結晶
自然界で形成された透明な水晶の結晶。圧電効果を持ち、電子機器などに利用される。

出典：Title『Quartz_crystal』-Photo by James Petts / Wikimedia Commons CC BY-SA 2.0より

水晶の最大の特徴。
それは、 力を加えると電気が発生するという性質です。

ただ押しただけ。
それだけで、プラスとマイナスの電気が生まれる。
聞くだけだと、ちょっと信じがたいですよね。

でもこれは、水晶がもともと持っている構造によって、必然的に起きる現象です。
偶然でも、不思議パワーでもありません。

水晶は特別な結晶構造をしている

水晶は、ケイ素と酸素がきれいに組み合わさってできた、とても整った結晶です。

原子ひとつひとつが、適当に並んでいるわけではなく、 きちんと決まったルールに従って配置されています。

この規則正しさ。
実はそれこそが、圧電効果を生み出すための下地。

「整いすぎている」。
その状態が、後の変化を際立たせるのです。

力を加えると中のバランスがくずれる

何もしていないときの水晶の中では、プラスとマイナスの電気は、ちょうどよくつり合っています。

ところが、外から力を加えると話が変わります。

例えば──

• 押される。
• 引っ張られる。
• わずかに曲がる。

──すると、原子の位置がほんの少し動き、 電気のバランスが崩れてしまうんです。

変化はごくわずか。
でもその一瞬に、内部では確かなズレが生まれています。

そのズレが電気になる

バランスが崩れると、水晶の中では、電気が片寄ります。

ある面にはプラス。
反対側にはマイナス。

こうして、電気がはっきり分かれ、電圧として現れます。

水晶は、押されることで内部の電気が分離し、電圧を生み出す。
これが、水晶に見られる圧電効果です。

「押すと電気が出る」。

このシンプルな性質が、このあと登場する、さまざまな技術の土台になっています。

鉱物の中の原子のならびがカギ

水晶（石英）の化学構造（SiO2の骨格）
SiとOが連結し、結晶格子として規則正しく並ぶ。
圧力で電荷の重心がずれ、電圧が生まれる土台になる。
出典：『SiO2 Quartz』-Photo by Wimmel／Wikimedia Commons Public domain

ではなぜ、数ある鉱物の中で、水晶だけがこんな性質を持つのでしょうか。

その答えは、 原子のならび方にあります。

普段は見えない、とても小さな世界。
でも実は、こここそが一番の重要ポイントです。

きれいにそろった原子配列

水晶の内部では、原子が驚くほど規則正しく並んでいます。

適当に詰まっているわけではありません。
ランダムでもありません。

まるで、あらかじめ設計図が用意されていたかのように、きれいに配置されています。

この整った配列があるからこそ、外から力を加えたときの変化が、ぼやけず、 はっきりと表に現れるのです。

左右対称ではない形

もうひとつ、とても大事な条件があります。

それが、 完全な左右対称ではないという点。

もし構造が完全に対称なら、原子がズレても、プラスとマイナスは打ち消し合ってしまいます。

でも水晶は、ほんのわずかに非対称。
この「わずかな違い」が、大きな意味を持ちます。

微妙な歪み。
ちょっとした偏り。
それがあるからこそ、電気のかたよりが生まれるのです。

だから電気が分かれる

力が加わる。
原子が動く。
左右対称でない配置が、電気を片側へ寄せる。

この一連の流れが、電気の分離を引き起こします。

原子配列の非対称性が、電気を生み出す決定打。
ここを理解できると、なぜ他の石では同じことが起きにくいのかも、自然と見えてきます。

水晶の圧電効果は身近で活躍している

クオーツ時計の内部（初期のクオーツ腕時計ムーブメント）
水晶の圧電振動で安定した周期を作り、回路で数えて「秒」に変換する。
刻み信号で小型モーターを動かし、針の運動として時間を表示する。
出典：『Seiko 35A』-Photo by Museumsfoto／Wikimedia Commons CC BY 3.0 DE

ここまでの話を聞くと、なんだか研究室や実験装置の中だけの話。
そんな印象を受けるかもしれません。

でも実は、水晶の圧電効果は、 私たちの身の回りで、当たり前のように使われています。

知らないうちに、毎日お世話になっている。
それくらい身近な存在です。

時計の中で正確な時間を刻む

代表的なのが、クオーツ時計です。

水晶に電気を流すと、今度は逆に、一定のリズムでふるえ始めます。

その振動は、とても正確。
ほとんどズレません。

この安定した振動を数えることで、時計は正しい時間を刻んでいます。

ズレにくい。
安定している。
だからこそ、信頼できる時計が作れるのです。

電子機器の基準になる

水晶の正確なふるえは、時計だけで終わりません。

電子機器の中では、 基準信号としても大活躍。

• スマートフォン。
• パソコン。
• 通信機器。

その内部では、水晶が一定のリズムを刻み、全体の動きを整えています。

いわば、電子機器の心臓の鼓動。
そんな役割を担っています。

自然の性質を利用している

ここで強調したいのは、特別な魔法を使っているわけではない、という点です。

人工的に無理をさせているわけでもありません。

水晶がもともと持っている性質を、そのまま利用している。
これこそが、圧電技術の美しいところ。

自然の構造をよく理解し、それを上手に借りる。
そんな発想が、現代の技術を静かに支えています。

水晶に圧電効果がある。
これは本当です。

その正体は、鉱物の中に並んだ原子たちの、わずかなズレ。

鉱物の構造そのものが、電気を生み出す力を持っている。
そう考えると、身近な石の見え方も、少し変わってきますよね。