1
00:00:08,046 --> 00:00:10,696
这是糖的结晶体。

2
00:00:10,696 --> 00:00:14,486
你在按压它时，它实际上会产生电荷。

3
00:00:14,486 --> 00:00:17,796
这个简单的晶体是怎样
扮演一个小发电站的角色呢？

4
00:00:17,796 --> 00:00:20,386
因为糖是压电体。

5
00:00:20,386 --> 00:00:23,147
压电材料会把机械应力，

6
00:00:23,147 --> 00:00:24,327
如压力、

7
00:00:24,327 --> 00:00:25,190
声波、

8
00:00:25,190 --> 00:00:26,247
还有其他振动

9
00:00:26,247 --> 00:00:28,746
转化为电力，反之亦然。

10
00:00:28,746 --> 00:00:29,717
这种奇特现象

11
00:00:29,717 --> 00:00:34,966
是在1880年被物理学家
Pierre Curie 和他的弟弟 Jacques 首次发现的。

12
00:00:34,966 --> 00:00:38,417
他们发现如果他们压缩一些细小的晶体片，

13
00:00:38,417 --> 00:00:43,018
正电荷和负电荷会出现在相反两面。

14
00:00:43,018 --> 00:00:45,156
电荷或者说电压的不同，

15
00:00:45,156 --> 00:00:48,927
意味着被压缩的晶体可以通过电路驱动电流，

16
00:00:48,927 --> 00:00:50,487
像是电池一样。

17
00:00:50,487 --> 00:00:52,718
它也可以朝着另一方向运行。

18
00:00:52,718 --> 00:00:56,877
通过这些晶体运作电力会使晶体的形状发生变化。

19
00:00:56,877 --> 00:00:57,978
这里有两种结果，

20
00:00:57,978 --> 00:01:00,769
一种是将机械能转化为电能，

21
00:01:00,769 --> 00:01:03,157
另一种则是将电能转化为机械能，

22
00:01:03,157 --> 00:01:04,699
两者都是意义非凡的。

23
00:01:04,699 --> 00:01:08,146
但这项发现在几十年间都没有受到人们的关注。

24
00:01:08,146 --> 00:01:11,148
第一次实际应用是被使用到声呐仪器中，

25
00:01:11,148 --> 00:01:14,648
这种声呐仪器在第一次
世界大战时被用于探测德国潜艇。

26
00:01:14,648 --> 00:01:17,460
声呐发射机中的压电石英晶体

27
00:01:17,460 --> 00:01:21,459
在受到交变电压影响时会产生振动。

28
00:01:21,459 --> 00:01:23,949
从而在水中发送超声波。

29
00:01:23,949 --> 00:01:27,179
通过测量这些超声波触碰到
一个物体反弹回来所花费的时间

30
00:01:27,179 --> 00:01:29,850
可以知道与物体相隔的距离。

31
00:01:29,850 --> 00:01:31,528
如果是另一种转化，

32
00:01:31,528 --> 00:01:34,009
将机械能转化为电能，

33
00:01:34,009 --> 00:01:36,829
可以想想那些当你鼓掌时就会亮起来的灯。

34
00:01:36,829 --> 00:01:39,539
你在鼓掌的同时会在空气中产生声音振动，

35
00:01:39,539 --> 00:01:43,188
这会让压电元件来回弯曲。

36
00:01:43,188 --> 00:01:46,880
由此产生的电压会驱使足够的电流让LED灯发亮，

37
00:01:46,880 --> 00:01:50,420
不过这已经算是让灯亮起来的传统电力来源了。

38
00:01:50,420 --> 00:01:53,629
那么是什么让材料带有压电性呢？

39
00:01:53,629 --> 00:01:55,750
这取决于两个因素：

40
00:01:55,750 --> 00:01:57,590
材料的原子结构，

41
00:01:57,590 --> 00:02:00,970
还有电荷在其内部的分布。

42
00:02:00,970 --> 00:02:02,690
很多材料都是晶体状的，

43
00:02:02,690 --> 00:02:04,499
意味着它们是由原子或者离子组成的，

44
00:02:04,499 --> 00:02:07,630
它们排列成一个有序的三维模型。

45
00:02:07,630 --> 00:02:10,270
这个模型的基础构件叫晶胞，

46
00:02:10,270 --> 00:02:12,730
材料中会有一个又一个重复的晶胞。

47
00:02:12,730 --> 00:02:15,561
在绝大多数非压电性晶体材料中，

48
00:02:15,561 --> 00:02:18,611
晶胞里面的原子是对称分布在

49
00:02:18,611 --> 00:02:20,474
一个中心点周围的。

50
00:02:20,474 --> 00:02:23,953
但一些晶体材料并没有对称中心，

51
00:02:23,953 --> 00:02:27,102
这使它们得以带有压电性。

52
00:02:27,102 --> 00:02:28,515
我们来看看石英，

53
00:02:28,515 --> 00:02:31,982
这是一种由硅和氧组成的压电材料。

54
00:02:31,982 --> 00:02:36,721
氧带有轻微的负电荷，
而硅则带有轻微的正电荷，

55
00:02:36,721 --> 00:02:38,252
这创造出电荷分离，

56
00:02:38,252 --> 00:02:41,142
或者说是每个键上的偶极。

57
00:02:41,142 --> 00:02:43,572
一般情况下，这些偶极会相互抵消，

58
00:02:43,572 --> 00:02:46,593
所以在胞晶里没有电荷的净余分离。

59
00:02:46,593 --> 00:02:49,574
但如果石英晶体受到某一特定方向的挤压，

60
00:02:49,574 --> 00:02:51,383
原子就会发生转移。

61
00:02:51,383 --> 00:02:54,134
因为电荷分布的非对称性，

62
00:02:54,134 --> 00:02:56,626
偶极不再相互抵消。

63
00:02:56,626 --> 00:03:00,457
这个受到拉伸的晶胞一边带有负电荷，

64
00:03:00,457 --> 00:03:03,133
而另一边则带有正电荷。

65
00:03:03,133 --> 00:03:06,283
这种电荷不平衡的情况会在材料中重复出现，

66
00:03:06,283 --> 00:03:09,937
极性相反的电荷会在晶体的相反面上累积。

67
00:03:09,937 --> 00:03:13,874
这促使电压的产生，电压能够通过电路驱动电力。

68
00:03:13,874 --> 00:03:16,914
压电材料可以有不同的结构。

69
00:03:16,914 --> 00:03:21,517
但它们有一个共同点就是
它们的晶胞中都没有对称中心。

70
00:03:21,517 --> 00:03:24,354
而且施加给压电材料的力越强，

71
00:03:24,354 --> 00:03:26,744
产生的电压就越大。

72
00:03:26,744 --> 00:03:29,964
拉伸晶体，电压就会发生改变，

73
00:03:29,964 --> 00:03:32,244
导致电流反向流动。

74
00:03:32,244 --> 00:03:35,725
压电材料或许比你想象中的还要多。

75
00:03:35,725 --> 00:03:36,664
DNA、

76
00:03:36,664 --> 00:03:37,395
骨骼、

77
00:03:37,395 --> 00:03:38,274
还有丝绸，

78
00:03:38,274 --> 00:03:42,426
它们都可以将机械能转化为电能。

79
00:03:42,426 --> 00:03:45,896
科学家已经创造出各种各样的合成压电材料，

80
00:03:45,896 --> 00:03:49,334
并且将它们广泛应用在从医学影像

81
00:03:49,334 --> 00:03:51,536
到喷墨打印机的领域中。

82
00:03:51,536 --> 00:03:54,845
压电性还会产生有节奏的振动，

83
00:03:54,845 --> 00:03:57,985
这是石英晶体得以让钟表准时运作的原因，

84
00:03:57,985 --> 00:03:59,846
还能作为音乐生日卡片上的扬声器，

85
00:03:59,846 --> 00:04:03,005
还有在你轻打开关的时候，

86
00:04:03,005 --> 00:04:05,116
在烧烤架上产生让汽油点燃的火花。

87
00:04:05,116 --> 00:04:08,347
压电设备或许会越来越普及，

88
00:04:08,347 --> 00:04:12,987
因为电力需求量大而机械能又极其丰富。

89
00:04:12,987 --> 00:04:15,936
已经有火车站利用乘客脚步这一机械能

90
00:04:15,936 --> 00:04:18,478
来给检票门和显示器提供电力，

91
00:04:18,478 --> 00:04:22,097
还有一个跳舞俱乐部利用压电性提供照明。

92
00:04:22,097 --> 00:04:25,348
来回跑动的篮球运动员可以给记分牌提供电力吗？

93
00:04:25,348 --> 00:04:28,548
沿街步行的同时还能让你的电子设备充上电吗？

94
00:04:28,548 --> 00:04:31,158
压电性的下一种可能会是什么？