你可能用過 壓電 (發(fā)音”啪啪電”) 今天好多了。如果你有一個 石英表, 壓電是幫助它保持正常時間的原因。如果你去過 寫一封信或一篇關于你的文章 計算機 在 語音識別 軟件這 麥克風 你說的可能用過 壓電轉動聲音 能源 在你的聲音中進入 您的計算機可以解釋的電信號。如果你有點 一個發(fā)燒友，喜歡聽黑膠唱片上的音樂，你的 留聲機 本來會使用壓電來“讀取”聲音 您的 LP 記錄。壓電(字面意思是“壓電”) 比聽起來簡單得多：它只是意味著使用晶體將機械能轉換為 電力，反之亦然。讓我們仔細看看它是如何工作的 以及為什么它如此有用!

　　什么是壓電?

　　擠壓某些晶體(如石英)，您可以制作 電力 流過 他們。反之亦然：如果你通過電力 通過相同的晶體，它們通過振動來“擠壓自己” 來來回回。簡而言之，這幾乎是壓電 但是，為了科學起見，讓我們有一個正式的定義：

　　壓電(也稱為 壓電效應) 是 電勢的外觀(換句話說，電壓) 當您將其置于機械條件下時，穿過晶體的側面 壓力(通過擠壓它)。

　　在實踐中，晶體成為一種 小 電池 一面帶正電荷，帶負電荷 在另一面;電流流動，如果我們連接兩個面 一起做一個電路。在反向壓電效應下，a 晶體在以下情況下發(fā)生機械應力(形狀變形) 電壓施加在其相反的面上。

　　什么原因?qū)е聣弘?

　　想想一個水晶，你可能會想象球(原子) 安裝在桿上(粘合 將它們放在一起)，有點像攀爬架?，F(xiàn)在，通過晶體， 科學家并不一定意味著你發(fā)現(xiàn)的有趣的巖石碎片 在禮品店：水晶是學名 任何 固體 誰的 原子或分子以非常有序的方式排列，基于 無休止地重復相同的基本原子構建塊 (稱為 晶胞).所以一團 鐵 就像一塊石英一樣是水晶。 在水晶中，我們擁有的東西實際上不像攀爬架 (不一定具有有序的重復結構)和 更像是三維圖案壁紙。

　　藝術品：科學家所說的晶體：固體中原子的規(guī)則、重復排列。原子基本上固定在原位，但可以輕微振動。

　　在大多數(shù)晶體(如 五金)，單元單元(基本重復單元)是對稱的;在壓電晶體中，并非如此。通常，壓電晶體 是電中性的：它們內(nèi)部的原子可能不是 對稱排列，但它們的電荷完美無缺 平衡：一個地方的正電荷抵消負電荷 在附近充電。但是，如果您擠壓或拉伸壓電 晶體，你使結構變形，將一些原子推近 一起或進一步分開，打破積極和 負，并導致出現(xiàn)凈電荷。這種效果 貫穿整個結構，因此凈正負 電荷出現(xiàn)在晶體的相對外表面。

　　反向壓電效應以相反的方式發(fā)生。放一個 壓電晶體上的電壓，你正在承受 里面的原子到“電壓”。他們必須移動 重新平衡自身——這就是導致壓電的原因 施加電壓時變形(略微改變形狀)的晶體 穿過他們。

　　壓電的工作原理

　　這是一個快速動畫，顯示了壓電是如何發(fā)生的。它有點簡化，但它給了你一個基本的想法：

　　通常，壓電晶體中的電荷是完全平衡的，即使它們不是對稱排列的。

　　電荷的影響完全抵消，在晶體面上沒有留下凈電荷。(更具體地說， 電偶極矩—分隔相反電荷的向量線 — 完全相互抵消。

　　如果擠壓晶體(大量 在這張圖片中夸張了!)，你迫使電荷失去平衡。

　　現(xiàn)在，電荷的影響(它們的偶極矩)不再相互抵消，凈正電荷和負電荷出現(xiàn)在相反的晶面上。通過擠壓晶體，你已經(jīng)在其相對的面上產(chǎn)生了電壓——這就是壓電!

　　壓電有什么用?

　　照片：典型的壓電換能器。這是我固定電話里的鈴聲：當電話響起時，它會發(fā)出特別刺耳和可怕的啁啾聲!

　　在各種情況下，我們需要轉換機械能(壓力或 某種運動)轉化為電信號，反之亦然。通常我們可以 用 壓電換能器.換能器很簡單 將少量能量從一種能量轉換為另一種能量的設備(例如， 轉換 光, 聲音，或機械壓力轉化為電信號)。

　　在 超聲波 設備中，壓電換能器將電能轉換為極快的機械振動——事實上，它的速度如此之快，以至于它發(fā)出聲音， 但是音調(diào)太高，我們的耳朵聽不到。這些超聲波振動可用于 掃描、清潔和各種其他事情。

　　在一個 麥克風，我們需要轉換 聲能(壓力波通過 空氣)轉化為電能——這是壓電的東西 水晶可以幫助我們。只需粘貼振動部分 麥克風到水晶，隨著壓力從你的聲音中波出 到達時，它們會使水晶來回移動，生成 相應的電信號。留聲機中的“針” (有時稱為 電唱機) 以相反的方式工作。作為 金剛石尖端針沿著LP中的螺旋槽騎行，它 上下顛簸。這些振動推動和拉動輕量級 壓電晶體，產(chǎn)生您的立體聲的電信號 然后轉換回可聽見的聲音。

　　照片：唱片播放器手寫筆(從下方拍攝)：如果您仍在播放 LP 唱片，您將使用這樣的手寫筆將唱片上的機械凸起轉換為您可以聽到的聲音。手寫筆(銀色水平條)包含一個微小的鉆石晶體(右側末端的小點)，在唱片凹槽中上下彈跳。振動使黃色墨盒內(nèi)的壓電晶體失真，該晶體產(chǎn)生電信號，這些電信號是 放大 發(fā)出你能聽到的聲音。

　　在一個 石英鐘或手表、反向壓電效應 用于非常精確地保持時間。來自電池的電能被饋入晶體 使其每秒振蕩數(shù)千次。然后手表使用 一 電子的 電路將其轉換為較慢的，每秒一次的節(jié)拍 那一個微小的 發(fā)動機 和一些精度 齒輪 用于驅(qū)動秒針、分針和時針繞鐘面旋轉。

　　壓電也用于更粗糙的燃氣灶的火花打火機和 燒烤。按下打火機開關，您會聽到咔嗒聲 并看到火花出現(xiàn)。當你按下開關時，你在做什么， 正在擠壓壓電晶體，產(chǎn)生電壓，并且 讓火花飛過一個小縫隙。

　　如果你的桌子上有一臺噴墨打印機，它使用精確的“注射器”來噴射液滴 墨水在紙上。一些噴墨打印機使用電子控制的壓電晶體噴射注射器，這些晶體將他們的“柱塞”擠進擠出;佳能氣泡噴氣機通過加熱來發(fā)射墨水。(您可以在我們的文章中找到這兩種方法的更多詳細信息 噴墨打印機.)

　　照片：美國宇航局已經(jīng)嘗試使用壓電材料來減少快速旋轉的直升機旋翼產(chǎn)生的振動和噪音。照片由 美國宇航局.

　　您還會發(fā)現(xiàn)壓電在某些類型的 應變片.如果你想檢測像飛機機翼這樣的東西是否振動過大，把一條壓電材料綁在上面，你可以測量它在彎曲時產(chǎn)生的電流變形的程度。

　　壓電能量收集?

　　如果你可以通過一次按壓一個壓電晶體來產(chǎn)生一點點電，那么通過一遍又一遍地按壓許多晶體可以產(chǎn)生大量的電嗎?如果我們把水晶埋在城市街道和人行道下，以便在汽車和人經(jīng)過時捕捉能量呢?這個想法，被稱為 能量收集，引起了很多人的興趣。發(fā)明家們提出了各種用隱藏的壓電裝置儲存能量的想法，從將你的步行動作轉化為熱量以保持雙腳溫暖的鞋子，從你的身體運動中為自己充電的手機，到為路燈供電的道路，當你眨眼時捕獲能量的隱形眼鏡，甚至是從落雨的壓力中獲取能量的小工具。

　　藝術品：能量收集?發(fā)明家們已經(jīng)為可穿戴設備申請了許多專利，這些可穿戴設備將從您的身體運動中產(chǎn)生少量電力。這個例子是一只帶有內(nèi)置壓電換能器 (1) 的鞋子，它會在您走路時上下彈起，將電流發(fā)送到電路 (2)，然后將其存儲在電池 (3) 中。

　　能量收集是個好主意嗎?乍一看，任何能最大限度地減少能源浪費和提高效率的東西聽起來都是明智的。如果你可以用雜貨店的地板從匆忙的購物者的腳上捕獲能量，并用它來為商店的燈或冷卻柜供電，那肯定是一件好事嗎?有時，能量收集確實可以提供體面的，如果相當適度的功率。

　　然而，麻煩的是，能量收集計劃可能會極大地分散人們對更好想法的注意力。例如，考慮用壓電“隆隆帶”建造街道的概念，這些“隆隆帶”吸收過往交通的能量。汽車是效率極低的機器，只有少量(15%左右)的燃料能量為你提供動力。只有一小部分可用于從道路上回收，而且您無法以 100% 的效率回收所有部分。因此，您實際上可以恢復的能量，以及您花的錢所獲得的效率收益將是微不足道的。如果您真的想從汽車中節(jié)省能源，明智的方法是在流程的早期解決汽車運輸效率低下的問題;例如 通過設計更高效的發(fā)動機，鼓勵人們共享汽車，從 汽油機 自 電動車，以及諸如此類的事情。

　　這并不是說能量收集沒有立足之地;對于使用否則會被浪費的能源為移動設備充電非常有用。例如，想象一下，一部手機每次在口袋里晃動時都會自動充電。即便如此，在節(jié)約能源方面，我們應該始終考慮大局，并確保我們投入的時間和金錢產(chǎn)生最好的結果。

　　誰發(fā)現(xiàn)了壓電?

　　壓電效應是由兩位法國物理學家兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。 皮埃爾和保羅-雅克居里，在石英晶體、碧璽和 羅謝爾鹽(酒石酸鉀鈉)。他們?nèi)〉拿謥碜?希臘作品 皮澤因，意思是“按”。 雅克在1889年的一篇論文中總結了這一觀察結果 《化學與體質(zhì)年鑒》 (我自己非常粗略的法語翻譯)：

　　“如果沿著[石英塊的]主軸拉動或擠壓，則在該軸的末端會出現(xiàn)相等量的相反符號的電量，與作用力成正比，與石英的尺寸無關?！?/span>

　　藝術品：居里夫婦作品的插圖 壓電石英：摘自這些 J. 居里：《化學與體質(zhì)年鑒》，第十七卷，1889年，第392頁。