「カチッ」～「カチッ」～「カチッ」…ライターってどうやって点火するの？

人類による火の最も古い使用は、180万年前にまで遡ります。元凶人から北京原人まで、考古学者たちは当時自然の火を使っていたにもかかわらず、火を使った痕跡を発見している。

しかし、原始人は火が強力な自然の力であることに気づき、人工的に火を起こす方法を模索し始めました。木を削って火を起こす方法から、火打ち石を使う方法、そして今日のさまざまな火起こし道具に至るまで、人類の火起こし方法は多様化してきました。

ライターは、その軽さ、耐久性、安定した火力などの特徴から、広く一般に使用されています。

現在、市販されている使い捨てライターのほとんどは、燃料としてブタンを使用しています。ブタンは高圧下では液体となり、減圧後はすぐにガスになるため、ライターの小さな燃料タンクに保管するのに非常に適しています。

ライターの「点火ボタン」を押すと、小さなタンク内のブタンの粒子がガスとともに溢れ出し、点火装置によって発生した電気火花と接触して明るい炎が発生します。

点火装置といえば、実はライターの中に入っている長くて黒い物体のことで、皆さんもよくご存知のはずです。とても小さいものなので、子供の頃は友達の手の甲を叩いて遊んでいました（真似しないでくださいね）、軽い電気ショックのような感覚を覚えました。

しかし、この電気はどこから来るのでしょうか?明らかに独立した電源はなく、磁力線を切断する金属はおろか、磁場を発生させる小さな磁石も内部にはありません。この刀には「打つ装置と打たれる装置」のセットしかなく、これは中国のことわざ「周瑜が黄蓋と戦うとき、一方は戦う意志があり、他方は打たれる意志がある」と一致している。

トリガーを押し下げると、内部のバネに圧力がかかります。バネの下に小さなハンマーが接続されています。加えられた圧力が閾値に達すると、バネは元の位置に戻り、エネルギーを放出します。このとき、接続された小型ハンマーが勢いよく落下し、その下の圧電結晶（または圧電セラミック）に衝突します。

圧電結晶が衝撃を受けると、その表面がわずかにへこみ、結晶全体に電位差（電圧）が生じます。

圧電効果

圧電結晶がなぜ電圧を発生できるのか疑問に思う人もいるかもしれません。

これは実際には圧電効果によって引き起こされます。圧電性という言葉はギリシャ語の piezein に由来し、文字通りには「圧迫したり押したりすることで電気を発生させることができる」という意味です。実際のところ、ほとんど同じです。

1880 年、フランスの物理学者キュリー兄弟は、ある天然の結晶を機械的な力で引き伸ばしたり圧縮したりすると、結晶の 2 つの反対の表面に等量の反対の電荷が発生することを実験で発見しました。科学者はこの現象を圧電効果と呼んでいます。

キュリー兄弟の実験装置

圧電現象を示す媒体を圧電材料といいます。

実際、自然界のほとんどの結晶は圧電効果を持っていますが、その効果は非常に弱いです。材料研究が深まるにつれ、水晶、チタン酸バリウム、トルマリンなどの材料はいずれも優れた性能を持つ圧電材料であることがわかりました。

圧電材料となる重要な理由の一つは、中心非対称構造を有していることです。石英結晶を例にとると、イオン結晶では正イオンと負イオンが規則的に絡み合って結晶格子を形成します。

このようにして、水晶の表面に固有の電気モーメントが形成され、分極電荷が発生しますが、これらの電荷は水晶表面から離れることはできません。結晶は空気にさらされているため、これらの極性電荷は空気中の反対の電荷と結合し、結晶は電気的に中性でバランスの取れた状態で存在します。

しかし、水晶に機械的な圧力が加わると、結晶構造が変化し、それに応じて電気モーメントも変化します。結晶表面の分極電荷の値は、外力の強さと接触面の大きさに比例します。外力と接触面積が大きいほど、発生する電荷も大きくなります。

結晶の表面電荷の符号は外力と関係があります。伸張された状態の場合、上部の電荷は正で、下部の電荷は負です。圧縮状態の場合はその逆になります。

結晶の両端に電極を設置してワイヤーで接続すると、これらの電荷が一方のプレートからもう一方のプレートに転送され、ライターで見られる電気火花である電流が形成されます。

逆圧電効果

圧電効果のもう一つの特別な点は、そのプロセスが可逆的であることです。圧電材料に機械的応力が加えられると、機械的エネルギーが電気エネルギーに変換されます。これを正の圧電効果と呼びます。逆に、圧電材料に電界を加えると、機械的な変形（伸長または収縮）が生じます。

直接圧電効果と比較すると、逆圧電効果はより幅広い用途に使用できます。例えば、私たちがよく目にするスピーカーの電源を入れると、内部の圧電セラミックが電界の影響を受け、セラミックが音波の形で空気を振動させ、より大きな音を出します。

今日の電子の世界では、圧電性はいたるところに存在し、科学技術の発展に伴い、圧電技術の進歩は今後も続くでしょう。将来は無限の可能性があるかもしれません。例えば、圧電効果によって発生したエネルギーを収集することができます。

将来のスマートデバイスのバッテリーに圧電材料が使われていたら、簡単な体の動きで圧電材料を活性化してデバイスを充電できるようになると想像してみてください。

さらに驚くべきことに、圧電システムを道路の下に埋め込むこともできます。道路を車が通過すると、下のシステムが作動し、収集されたエネルギーは、両側の街灯や看板などの公共施設に使用されます。

どのような可能性であっても、科学技術の発展は常に魅力的で望ましいものです。