将一块看起来平平无奇的陶瓷接上导线和电压表,用手在上面一摁,电压表的指针也跟着发生摆动——竟然产生了电流! 噢~这就是压电效应!
01什么是压电效应?压电效应是当您对压电晶体施加机械应力(挤压)时,晶体两侧会出现电势(电压)。实际上,压电效应下晶体变成了一种微型电池,一面带正电荷,一面带负电荷;如果我们将两个面连接在一起形成电路,电流就会流动。
压电效应有一个重要的特征——可逆。如果你对压电晶体通电,它们会通过来回振动来“挤压自己”,晶体将在一定方向上产生机械变形。这种现象称为逆压电效应,也称作电致伸缩效应。
02谁发现了压电效应?压电效应最早是由雅克·居里(Jacques Curie)和皮埃尔·居里(Pierre Curie)兄弟偶然间发现的。(注:皮埃尔·居里的夫人就是大名鼎鼎的居里夫人。) 起先,皮埃尔居里致力于焦电现象与晶体对称性关系的研究。1880 年居里兄弟偶然发现在电气石中施以压力会有电性产生。之后他们又系统的研究了施压方向与电场强度间的关系,及预测某类晶体具有压电效应。经他们实验而发现,具有压电性的材料有:闪锌矿、钠氯酸盐、电气石、石英、酒石酸、蔗糖、方硼石、异极矿、黄晶及若歇尔盐。这些晶体都具有各向异性结构,各向同性材料是不会产生压电性的。次年,即1881年,居里兄弟验证了逆压电效应,并得出了正逆压电常数。
如果沿着石英块的主轴拉或挤,在该轴的两端会出现等量相反符号的电荷,与作用力成正比,与石英的尺寸无关。 1984年,德国物理学家沃德马·沃伊特(Woldemar Voigt),推论出只有无对称中心的20个点群的晶体才可能具有压电效应。是的,压电效应产生的原因与晶体结构有关。不是所有的晶体都能产生压电效应,只有非中心对称的晶体才能产生压电效应。上面提到的平平无奇的陶瓷,可不是一般家里地板上的瓷砖,而是“压电陶瓷”,它能通过压电效应将机械能和电能互相转换。 03压电效应的工作原理压电效应产生的原因与晶体结构有关。在大多数晶体(如金属)中,晶胞(基本重复单元)是中心对称的,比如TiO2。
TiO2晶体结构 但在压电晶体中,晶胞是非中心对称的。目前应用最广的压电晶体——石英(SiO2)就具有非中心对称晶体结构。
石英
石英晶胞结构 下面我们以石英为例,详细讲解压电效应的工作原理。
石英产生压电效应的过程 ①、一般情况下,石英晶体中每个晶胞的净电荷均为零,正负离子的中心位置相同,正电荷和负电荷刚好抵消。
②、如果挤压或拉伸石英,石英的晶胞就会发生结构变形,正负离子的中心不再重合,电荷平衡被打破,晶体内部出现极化。伸长产生负电荷(纵向压电效应),缩短产生正电荷(横向压电效应)。
晶体的拉伸与压缩 ③、极化使得石英表面产生感应电荷。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。此时,如果在石英表面加上电极,并将其连接到电路上, 我们便能得到电流。
按压石英
石英表面极化 逆压电效应以相反的方式发生。在压电晶体上施加电压,就会使里面的原子受到“电压”的影响,它们必须移动以重新平衡自身,导致压电晶体变形。 04按压石英发电,可行吗?压电效应是力生电的过程,就像发电机。如果我们可以通过一次按压一个压电晶体来产生一点点电,那是否意味着我们可以通过高速多次按压多个晶体来产生大量的电? 比如将压电晶体埋在城市街道和人行道下,然后收集汽车和行人经过按压时产生的电能;再比如在鞋子中装上压电储能设备,把我们日常的行走转化为电量给手机充电。
如图:带有内置压电传感器(1)的鞋子,当你走路时,它会上下跳动,将电流发送到电路(2),然后储存在电池(3)中。 通过压电效应发电收集能量,理论上是可行的。但是理想很丰满,现实很骨感。目前回收压电效应能量的效率并不高,投入和收益不成正比,所以很少有相关应用。05压电效应的典型应用虽然发电不行,但压电效应大有用处。 如今压电效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域,以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。压电换能器:在各种情况下,我们需要将机械能(压力或某种运动)转换为电信号,反之亦然。通常我们可以使用压电换能器来做到这一点。 在超声波设备中,压电换能器将电能转换为极快的机械振动——振动频率在20KHz以上。这些超声波振动可用于扫描、清洁和各种其他事情。 在麦克风中,我们需要将声能转换为电能。只需将麦克风的振动部分粘在压电晶体上,当您的声音发出的压力波到达时,它们就会使晶体来回移动,从而产生相应的电信号。 压电传感器:在科学和工农业生产等方面,需要测量压力、应力、加速度等物理量时,压电传感器是应用较多的一种传感器。压电传感器主要基于压电效应,把待测的压力转换成为电量再进行相关测量。压电传感器的工作原理:当压电晶体受到外力作用的时候,它的表面会形成电荷,电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗后,就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。
压电式测力传感器的结构 压电传感器不可以应用在静态的测量当中,只可以应用在动态的测量当中,原因是受到外力作用后的电荷,当回路有无限大的输入抗阻的时候,才可以得以保存下来。压电高压发生器:利用压电效应可以把振动转换成电能,还可以获得高电压输出。这种获得高电压的方法可用来做成引燃装置,如汽车火花塞、打火机、炮弹的引爆压电雷管等。还可用来作红外夜视仪和手提x光机中的高压电源等。
当你按下打火机开关时,压电晶体受到挤压从而产生电压火花。压电晶体振荡器:压电晶体振荡器(晶振)是将机械振动变为同频率的电振荡的器件,由夹在两个电极之间的压电晶片构成。由于压电晶片的机械振动有一个确定的固有频率,所以它对频率非常敏感。 目前应用最多的压电晶体振荡器是石英晶体振荡器,其振荡原理是压电效应和电致伸缩效应的总效果。
石英晶体振荡器 在石英晶体上加上电压使之产生形变,而形变又在晶体上产生电荷,通过静电感应则在外电路形成电流。若加的是交变电场,引起的形变也是交变的。交变的形变所形成的电荷和电流也是交变的,最后由于晶片自身的机械限制而稳定在某一幅度上。
由于石英晶体具有一定的固有振动频率,当外加电场频率等于其固有频率时,便会产生谐振。这就是石英晶体可以作为谐振选频电路的基本原因。石英晶体振荡器具有极高的频率稳定度,因而广泛使用于要求频率稳定度高的设备中,例如标准频率发生器、脉冲计数器、石英钟等。
审核编辑 :李倩
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原文标题:神奇的压电效应:如何通过按压一块石英来发电?
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