压电效应的原理和实际应用
原文标题:《"吃冰糖会触电"背后的物理》
不刷题的吴姥姥用实验向我们展示了"吃冰糖会触电"的说法,我首先想到的就是压电效应:当在材料上施加外部应力时,它会产生电压。有许多类型的压电材料,但石英是第一个被发现的压电晶体,我们将以石英为例,讲述这些材料是如何表现出这种独特特性的。
切割出一块石英晶体并压缩它,我们就能测量到切片上的电压,不过前提是切割的角度要恰到好处。为了理解切割角度的重要性,我们需要查看石英的晶格结构。起初石英的结构看起来非常复杂,但当我们旋转到合适的角度时,我们会发现熟悉的六边形形状。
微观结构
首先我们需要了解一个称为电负性的概念。石英晶体由氧和硅原子组成,这里氧和硅原子共享一个电子。由于氧原子的尺寸较小,共享电子更靠近氧的原子核,所以氧对电子的作用力比硅大。因此氧比硅的电负性更大,并且带有轻微的负电荷,这也意味着硅原子将带有轻微的正电荷。氧和硅原子一起构成石英晶体中的偶极子。
这些偶极子头尾相连,它们形成了上述提到的六边形。虽然这种六边形不是正六边形,但它的排列方式恰好使得负原子和正原子的电荷中心重合。如果我们用红色代表负电荷,用黄色代表正电荷,那么在未压缩的晶体中,红色和黄色完全重叠形成中性的绿色。如果我们在分子上施加压缩力,电荷中心不再重合。这称为极化,这也意味着将在净正电荷和负电荷之间产生电场,导致在其上产生小电压,就像小电池一样。如果我们在整个石英上施加压力,那么将会有许多小电池串联和并联,输出较高的电压。
原则上,只需要满足一些条件,任何晶体都可以是压电材料。首先是晶格需要一些极性键,这意味着一些原子带有轻微的正电荷而另一些带有轻微的负电荷。这就是钻石不是压电的原因,里面的所有碳原子都是中性的。第二个标准更微妙,它需要缺乏某种类型的对称性,否则压缩时电荷的平均位置不会改变,例如石英中六边形对角是不同种的原子。
实际应用
压电效应在实际生活应用广泛,最常见的要属于打火机了。当我们按动打火机的时候,其实我们按压的是里面的压电陶瓷。它能产生上千伏的高压,通过导线连接出来后,在极小的间隙下击穿空气,让打火机出来的气体点燃。此外,也有一些麦克风利用压电效应,将声音的振动转化为电信号,这种麦克风被称为压电麦克风。比较高级一点的是,一些植入人体的设备,利用压电效应作为其能源供应。
有趣的是,压电效应也是可逆的;对其压缩能产生电压,如果施加电压也能使其压缩或膨胀。使用这种原理最经典的例子是石英表,在其中有一个石英晶体,给它提供电源后每秒能振动 32768 次。
在一些小型设备上,由于空间不够大,不能装上旋转风扇进行散热,这时一种称为压电风扇的就派上用场。当我们给它施加交替电压时,其中的压电材料就会产生振动,从而带动其上的薄片进行扇风,就像我们的手摇扇一样。
本文来自微信公众号:万象经验 (ID:UR4351),作者:Eugene Wang
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