你可能用過 壓電 (發(fā)音”啪啪電”) 今天好多了。如果你有一個(gè) 石英表, 壓電是幫助它保持正常時(shí)間的原因。如果你去過 寫一封信或一篇關(guān)于你的文章 計(jì)算機(jī) 在 語音識(shí)別 軟件這 麥克風(fēng) 你說的可能用過 壓電轉(zhuǎn)動(dòng)聲音 能源 在你的聲音中進(jìn)入 您的計(jì)算機(jī)可以解釋的電信號(hào)。如果你有點(diǎn) 一個(gè)發(fā)燒友，喜歡聽黑膠唱片上的音樂，你的 留聲機(jī) 本來會(huì)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(jī)械能轉(zhuǎn)換為 電力，反之亦然。讓我們仔細(xì)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(dòng)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(xué)起見，讓我們有一個(gè)正式的定義：

　　壓電(也稱為 壓電效應(yīng)) 是 電勢的外觀(換句話說，電壓) 當(dāng)您將其置于機(jī)械條件下時(shí)，穿過晶體的側(cè)面 壓力(通過擠壓它)。

　　在實(shí)踐中，晶體成為一種 小 電池 一面帶正電荷，帶負(fù)電荷 在另一面;電流流動(dòng)，如果我們連接兩個(gè)面 一起做一個(gè)電路。在反向壓電效應(yīng)下，a 晶體在以下情況下發(fā)生機(jī)械應(yīng)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(gè)水晶，你可能會(huì)想象球(原子) 安裝在桿上(粘合 將它們放在一起)，有點(diǎn)像攀爬架。現(xiàn)在，通過晶體， 科學(xué)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(xué)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(fù)相同的基本原子構(gòu)建塊 (稱為 晶胞).所以一團(tuán) 鐵 就像一塊石英一樣是水晶。 在水晶中，我們擁有的東西實(shí)際上不像攀爬架 (不一定具有有序的重復(fù)結(jié)構(gòu))和 更像是三維圖案壁紙。

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

　　在大多數(shù)晶體(如 五金)，單元單元(基本重復(fù)單元)是對(duì)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(duì)稱排列，但它們的電荷完美無缺 平衡：一個(gè)地方的正電荷抵消負(fù)電荷 在附近充電。但是，如果您擠壓或拉伸壓電 晶體，你使結(jié)構(gòu)變形，將一些原子推近 一起或進(jìn)一步分開，打破積極和 負(fù)，并導(dǎo)致出現(xiàn)凈電荷。這種效果 貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)，因此凈正負(fù) 電荷出現(xiàn)在晶體的相對(duì)外表面。

　　反向壓電效應(yīng)以相反的方式發(fā)生。放一個(gè) 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(dòng) 重新平衡自身——這就是導(dǎo)致壓電的原因 施加電壓時(shí)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(gè)快速動(dòng)畫，顯示了壓電是如何發(fā)生的。它有點(diǎn)簡化，但它給了你一個(gè)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(duì)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(fù)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(duì)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(dāng)電話響起時(shí)，它會(huì)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(zhuǎn)換機(jī)械能(壓力或 某種運(yùn)動(dòng))轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，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(zhuǎn)換為另一種能量的設(shè)備(例如， 轉(zhuǎn)換 光, 聲音，或機(jī)械壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào))。

　　在 超聲波 設(shè)備中，壓電換能器將電能轉(zhuǎn)換為極快的機(jī)械振動(dòng)——事實(shí)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(dòng)可用于 掃描、清潔和各種其他事情。

　　在一個(gè) 麥克風(fēng)，我們需要轉(zhuǎn)換 聲能(壓力波通過 空氣)轉(zhuǎn)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(dòng)部分 麥克風(fēng)到水晶，隨著壓力從你的聲音中波出 到達(dá)時(shí)，它們會(huì)使水晶來回移動(dòng)，生成 相應(yīng)的電信號(hào)。留聲機(jī)中的“針” (有時(shí)稱為 電唱機(jī)) 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(dòng)推動(dòng)和拉動(dòng)輕量級(jí) 壓電晶體，產(chǎn)生您的立體聲的電信號(hào) 然后轉(zhuǎn)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(jī)械凸起轉(zhuǎn)換為您可以聽到的聲音。手寫筆(銀色水平條)包含一個(gè)微小的鉆石晶體(右側(cè)末端的小點(diǎn))，在唱片凹槽中上下彈跳。振動(dòng)使黃色墨盒內(nèi)的壓電晶體失真，該晶體產(chǎn)生電信號(hào)，這些電信號(hào)是 放大 發(fā)出你能聽到的聲音。

　　在一個(gè) 石英鐘或手表、反向壓電效應(yīng) 用于非常精確地保持時(shí)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(zhuǎn)換為較慢的，每秒一次的節(jié)拍 那一個(gè)微小的 發(fā)動(dòng)機(jī) 和一些精度 齒輪 用于驅(qū)動(dòng)秒針、分針和時(shí)針繞鐘面旋轉(zhuǎn)。

　　壓電也用于更粗糙的燃?xì)庠畹幕鸹ù蚧饳C(jī)和 燒烤。按下打火機(jī)開關(guān)，您會(huì)聽到咔嗒聲 并看到火花出現(xiàn)。當(dāng)你按下開關(guān)時(shí)，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(gè)小縫隙。

　　如果你的桌子上有一臺(tái)噴墨打印機(jī)，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(jī)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(jìn)擠出;佳能氣泡噴氣機(jī)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(xì)信息 噴墨打印機(jī).)

　　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(zhuǎn)的直升機(jī)旋翼產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音。照片由 美國宇航局.

　　您還會(huì)發(fā)現(xiàn)壓電在某些類型的 應(yīng)變片.如果你想檢測像飛機(jī)機(jī)翼這樣的東西是否振動(dòng)過大，把一條壓電材料綁在上面，你可以測量它在彎曲時(shí)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(gè)壓電晶體來產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)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(shí)捕捉能量呢?這個(gè)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(chǔ)存能量的想法，從將你的步行動(dòng)作轉(zhuǎn)化為熱量以保持雙腳溫暖的鞋子，從你的身體運(yùn)動(dòng)中為自己充電的手機(jī)，到為路燈供電的道路，當(dāng)你眨眼時(shí)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(shù)品：能量收集?發(fā)明家們已經(jīng)為可穿戴設(shè)備申請了許多專利，這些可穿戴設(shè)備將從您的身體運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生少量電力。這個(gè)例子是一只帶有內(nèi)置壓電換能器 (1) 的鞋子，它會(huì)在您走路時(shí)上下彈起，將電流發(fā)送到電路 (2)，然后將其存儲(chǔ)在電池 (3) 中。

　　能量收集是個(gè)好主意嗎?乍一看，任何能最大限度地減少能源浪費(fèi)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(shí)，能量收集確實(shí)可以提供體面的，如果相當(dāng)適度的功率。

　　然而，麻煩的是，能量收集計(jì)劃可能會(huì)極大地分散人們對(duì)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(jī)器，只有少量(15%左右)的燃料能量為你提供動(dòng)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(shí)際上可以恢復(fù)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(yùn)輸效率低下的問題;例如 通過設(shè)計(jì)更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)，鼓勵(lì)人們共享汽車，從 汽油機(jī) 自 電動(dòng)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(duì)于使用否則會(huì)被浪費(fèi)的能源為移動(dòng)設(shè)備充電非常有用。例如，想象一下，一部手機(jī)每次在口袋里晃動(dòng)時(shí)都會(huì)自動(dòng)充電。即便如此，在節(jié)約能源方面，我們應(yīng)該始終考慮大局，并確保我們投入的時(shí)間和金錢產(chǎn)生最好的結(jié)果。

　　誰發(fā)現(xiàn)了壓電?

　　壓電效應(yīng)是由兩位法國物理學(xué)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(jié)了這一觀察結(jié)果 《化學(xué)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(dòng)或擠壓，則在該軸的末端會(huì)出現(xiàn)相等量的相反符號(hào)的電量，與作用力成正比，與石英的尺寸無關(guān)。”

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