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