你可能用过 压电 (发音”啪啪电”) 今天好多了。如果你有一个 石英表, 压电是帮助它保持正常时间的原因。如果你去过 写一封信或一篇关于你的文章 计算机 在 语音识别 软件这 麦克风 你说的可能用过 压电转动声音 能源 在你的声音中进入 您的计算机可以解释的电信号。如果你有点 一个发烧友，喜欢听黑胶唱片上的音乐，你的 留声机 本来会使用压电来“读取”声音 您的 LP 记录。压电(字面意思是“压电”) 比听起来简单得多：它只是意味着使用晶体将机械能转换为 电力，反之亦然。让我们仔细看看它是如何工作的 以及为什么它如此有用!

　　什么是压电?

　　挤压某些晶体(如石英)，您可以制作 电力 流过 他们。反之亦然：如果你通过电力 通过相同的晶体，它们通过振动来“挤压自己” 来来回回。简而言之，这几乎是压电 但是，为了科学起见，让我们有一个正式的定义：

　　压电(也称为 压电效应) 是 电势的外观(换句话说，电压) 当您将其置于机械条件下时，穿过晶体的侧面 压力(通过挤压它)。

　　在实践中，晶体成为一种 小 电池 一面带正电荷，带负电荷 在另一面;电流流动，如果我们连接两个面 一起做一个电路。在反向压电效应下，a 晶体在以下情况下发生机械应力(形状变形) 电压施加在其相反的面上。

　　什么原因导致压电?

　　想想一个水晶，你可能会想象球(原子) 安装在杆上(粘合 将它们放在一起)，有点像攀爬架。现在，通过晶体， 科学家并不一定意味着你发现的有趣的岩石碎片 在礼品店：水晶是学名 任何 固体 谁的 原子或分子以非常有序的方式排列，基于 无休止地重复相同的基本原子构建块 (称为 晶胞).所以一团 铁 就像一块石英一样是水晶。 在水晶中，我们拥有的东西实际上不像攀爬架 (不一定具有有序的重复结构)和 更像是三维图案壁纸。

　　艺术品：科学家所说的晶体：固体中原子的规则、重复排列。原子基本上固定在原位，但可以轻微振动。

　　在大多数晶体(如 五金)，单元单元(基本重复单元)是对称的;在压电晶体中，并非如此。通常，压电晶体 是电中性的：它们内部的原子可能不是 对称排列，但它们的电荷完美无缺 平衡：一个地方的正电荷抵消负电荷 在附近充电。但是，如果您挤压或拉伸压电 晶体，你使结构变形，将一些原子推近 一起或进一步分开，打破积极和 负，并导致出现净电荷。这种效果 贯穿整个结构，因此净正负 电荷出现在晶体的相对外表面。

　　反向压电效应以相反的方式发生。放一个 压电晶体上的电压，你正在承受 里面的原子到“电压”。他们必须移动 重新平衡自身——这就是导致压电的原因 施加电压时变形(略微改变形状)的晶体 穿过他们。

　　压电的工作原理

　　这是一个快速动画，显示了压电是如何发生的。它有点简化，但它给了你一个基本的想法：

　　通常，压电晶体中的电荷是完全平衡的，即使它们不是对称排列的。

　　电荷的影响完全抵消，在晶体面上没有留下净电荷。(更具体地说， 电偶极矩—分隔相反电荷的向量线 — 完全相互抵消。

　　如果挤压晶体(大量 在这张图片中夸张了!)，你迫使电荷失去平衡。

　　现在，电荷的影响(它们的偶极矩)不再相互抵消，净正电荷和负电荷出现在相反的晶面上。通过挤压晶体，你已经在其相对的面上产生了电压——这就是压电!

　　压电有什么用?

　　照片：典型的压电换能器。这是我固定电话里的铃声：当电话响起时，它会发出特别刺耳和可怕的啁啾声!

　　在各种情况下，我们需要转换机械能(压力或 某种运动)转化为电信号，反之亦然。通常我们可以 用 压电换能器.换能器很简单 将少量能量从一种能量转换为另一种能量的设备(例如， 转换 光, 声音，或机械压力转化为电信号)。

　　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——事实上，它的速度如此之快，以至于它发出声音， 但是音调太高，我们的耳朵听不到。这些超声波振动可用于 扫描、清洁和各种其他事情。

　　在一个 麦克风，我们需要转换 声能(压力波通过 空气)转化为电能——这是压电的东西 水晶可以帮助我们。只需粘贴振动部分 麦克风到水晶，随着压力从你的声音中波出 到达时，它们会使水晶来回移动，生成 相应的电信号。留声机中的“针” (有时称为 电唱机) 以相反的方式工作。作为 金刚石尖端针沿着LP中的螺旋槽骑行，它 上下颠簸。这些振动推动和拉动轻量级 压电晶体，产生您的立体声的电信号 然后转换回可听见的声音。

　　照片：唱片播放器手写笔(从下方拍摄)：如果您仍在播放 LP 唱片，您将使用这样的手写笔将唱片上的机械凸起转换为您可以听到的声音。手写笔(银色水平条)包含一个微小的钻石晶体(右侧末端的小点)，在唱片凹槽中上下弹跳。振动使黄色墨盒内的压电晶体失真，该晶体产生电信号，这些电信号是 放大 发出你能听到的声音。

　　在一个 石英钟或手表、反向压电效应 用于非常精确地保持时间。来自电池的电能被馈入晶体 使其每秒振荡数千次。然后手表使用 一 电子的 电路将其转换为较慢的，每秒一次的节拍 那一个微小的 发动机 和一些精度 齿轮 用于驱动秒针、分针和时针绕钟面旋转。

　　压电也用于更粗糙的燃气灶的火花打火机和 烧烤。按下打火机开关，您会听到咔嗒声 并看到火花出现。当你按下开关时，你在做什么， 正在挤压压电晶体，产生电压，并且 让火花飞过一个小缝隙。

　　如果你的桌子上有一台喷墨打印机，它使用精确的“注射器”来喷射液滴 墨水在纸上。一些喷墨打印机使用电子控制的压电晶体喷射注射器，这些晶体将他们的“柱塞”挤进挤出;佳能气泡喷气机通过加热来发射墨水。(您可以在我们的文章中找到这两种方法的更多详细信息 喷墨打印机.)

　　照片：美国宇航局已经尝试使用压电材料来减少快速旋转的直升机旋翼产生的振动和噪音。照片由 美国宇航局.

　　您还会发现压电在某些类型的 应变片.如果你想检测像飞机机翼这样的东西是否振动过大，把一条压电材料绑在上面，你可以测量它在弯曲时产生的电流变形的程度。

　　压电能量收集?

　　如果你可以通过一次按压一个压电晶体来产生一点点电，那么通过一遍又一遍地按压许多晶体可以产生大量的电吗?如果我们把水晶埋在城市街道和人行道下，以便在汽车和人经过时捕捉能量呢?这个想法，被称为 能量收集，引起了很多人的兴趣。发明家们提出了各种用隐藏的压电装置储存能量的想法，从将你的步行动作转化为热量以保持双脚温暖的鞋子，从你的身体运动中为自己充电的手机，到为路灯供电的道路，当你眨眼时捕获能量的隐形眼镜，甚至是从落雨的压力中获取能量的小工具。

　　艺术品：能量收集?发明家们已经为可穿戴设备申请了许多专利，这些可穿戴设备将从您的身体运动中产生少量电力。这个例子是一只带有内置压电换能器 (1) 的鞋子，它会在您走路时上下弹起，将电流发送到电路 (2)，然后将其存储在电池 (3) 中。

　　能量收集是个好主意吗?乍一看，任何能最大限度地减少能源浪费和提高效率的东西听起来都是明智的。如果你可以用杂货店的地板从匆忙的购物者的脚上捕获能量，并用它来为商店的灯或冷却柜供电，那肯定是一件好事吗?有时，能量收集确实可以提供体面的，如果相当适度的功率。

　　然而，麻烦的是，能量收集计划可能会极大地分散人们对更好想法的注意力。例如，考虑用压电“隆隆带”建造街道的概念，这些“隆隆带”吸收过往交通的能量。汽车是效率极低的机器，只有少量(15%左右)的燃料能量为你提供动力。只有一小部分可用于从道路上回收，而且您无法以 100% 的效率回收所有部分。因此，您实际上可以恢复的能量，以及您花的钱所获得的效率收益将是微不足道的。如果您真的想从汽车中节省能源，明智的方法是在流程的早期解决汽车运输效率低下的问题;例如 通过设计更高效的发动机，鼓励人们共享汽车，从 汽油机 自 电动车，以及诸如此类的事情。

　　这并不是说能量收集没有立足之地;对于使用否则会被浪费的能源为移动设备充电非常有用。例如，想象一下，一部手机每次在口袋里晃动时都会自动充电。即便如此，在节约能源方面，我们应该始终考虑大局，并确保我们投入的时间和金钱产生最好的结果。

　　谁发现了压电?

　　压电效应是由两位法国物理学家兄弟于1880年发现的。 皮埃尔和保罗-雅克居里，在石英晶体、碧玺和 罗谢尔盐(酒石酸钾钠)。他们取的名字来自 希腊作品 皮泽因，意思是“按”。 雅克在1889年的一篇论文中总结了这一观察结果 《化学与体质年鉴》 (我自己非常粗略的法语翻译)：

　　“如果沿着[石英块的]主轴拉动或挤压，则在该轴的末端会出现相等量的相反符号的电量，与作用力成正比，与石英的尺寸无关。”

　　艺术品：居里夫妇作品的插图 压电石英：摘自这些 J. 居里：《化学与体质年鉴》，第十七卷，1889年，第392页。