压电效应的原理和实际应用

原标题:吃冰糖会触电背后的物理学

没刷题的吴奶奶用实验给我们展示了吃冰糖会触电的说法我首先想到的是压电效应:当外部应力施加到材料上时，就会产生电压压电材料有很多种，但应时是发现的第一种压电晶体我们将以应时为例来说明这些材料是如何表现出这种独特的特征的

通过切割应时晶体并压缩它，我们可以测量切片上的电压，但前提是切割角度恰到好处为了理解切割角度的重要性，我们需要看看应时的晶格结构起初，应时的结构看起来非常复杂，但当我们旋转到直角时，我们会发现熟悉的六边形

微观结构

首先，我们需要了解一个叫做电负性的概念应时晶体由氧原子和硅原子组成，其中氧原子和硅原子共享一个电子因为氧原子的尺寸更小，共享电子更靠近氧的原子核，所以氧对电子的作用力大于硅所以氧的电负性比硅大，有轻微的负电荷，这也意味着硅原子会有轻微的正电荷氧和硅原子一起在应时晶体中形成偶极子

这些偶极子头尾相连，它们形成了上面提到的六边形虽然这个六边形不是正六边形，但它是以负原子和正原子的电荷中心重合的方式排列的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绿色如果我们对分子施加压力，电荷中心将不再重合这就是所谓的极化，也就是说在净正电荷和负电荷之间会产生一个电场，在上面产生一个很小的电压，就像一个小电池一样如果我们对整个应时施加压力，就会有很多小电池串并联在一起，输出更高的电压

原则上，任何晶体只要满足某些条件，都可以是压电材料第一，晶格需要一些极性键，也就是说有些原子带轻微的正电荷，有些带轻微的负电荷这就是钻石没有压电的原因它们中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对称性，否则在压缩过程中电荷的平均位置不会改变例如，在应时，六边形的对角是不同种类的原子

实际应用

压电效应在现实生活中应用广泛，最常见的属于打火机当我们按打火机时，我们实际上是按了里面的压电陶瓷它能产生几千伏的高压，通过导线连接后，能以极小的缝隙击穿空气，使打火机出来的气体被点燃此外，还有一些麦克风利用压电效应将声音振动转化为电信号，这种麦克风称为压电式麦克风更先进的是，一些植入设备使用压电效应作为其能量供应

有趣的是，压电效应也是可逆的，它的压缩能量可以产生电压，如果施加电压，它也可以被压缩或膨胀利用这个原理最经典的例子就是石英表，里面有一个应时水晶，通电后每秒可以振动32768次

在一些小设备中，由于空间不够大，无法安装旋转风扇散热这时，一种压电风扇就派上了用场当我们给它施加交流电压时，它里面的压电材料就会振动，从而带动它上面的薄片扇动，就像我们的手摇风扇一样