如何从晶体中挤压出电力 - Ashwini Bharathula

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这听上去像是科幻小说，但如果你挤压糖的晶状体，它实际上会产生电力。这种简单的晶状体就像是小型发电站，因为糖恰巧是带有压电性的。Ashwini Bharathula 将会解释压电材料是怎样将机械应力如压力、声波和其他振动等转化为电力的，而反之亦然。

课程讲授：Ashwini Bharathula，动画制作：Karrot动画

这是糖的结晶体。

你在按压它时，它实际上会产生电荷。

这个简单的晶体是怎样
扮演一个小发电站的角色呢？

因为糖是压电体。

压电材料会把机械应力，

如压力、

声波、

还有其他振动

转化为电力，反之亦然。

这种奇特现象

是在1880年被物理学家
Pierre Curie 和他的弟弟 Jacques 首次发现的。

他们发现如果他们压缩一些细小的晶体片，

正电荷和负电荷会出现在相反两面。

电荷或者说电压的不同，

意味着被压缩的晶体可以通过电路驱动电流，

像是电池一样。

它也可以朝着另一方向运行。

通过这些晶体运作电力会使晶体的形状发生变化。

这里有两种结果，

一种是将机械能转化为电能，

另一种则是将电能转化为机械能，

两者都是意义非凡的。

但这项发现在几十年间都没有受到人们的关注。

第一次实际应用是被使用到声呐仪器中，

这种声呐仪器在第一次
世界大战时被用于探测德国潜艇。

声呐发射机中的压电石英晶体

在受到交变电压影响时会产生振动。

从而在水中发送超声波。

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

可以知道与物体相隔的距离。

如果是另一种转化，

将机械能转化为电能，

可以想想那些当你鼓掌时就会亮起来的灯。

你在鼓掌的同时会在空气中产生声音振动，

这会让压电元件来回弯曲。

由此产生的电压会驱使足够的电流让LED灯发亮，

不过这已经算是让灯亮起来的传统电力来源了。

那么是什么让材料带有压电性呢？

这取决于两个因素：

材料的原子结构，

还有电荷在其内部的分布。

很多材料都是晶体状的，

意味着它们是由原子或者离子组成的，

它们排列成一个有序的三维模型。

这个模型的基础构件叫晶胞，

材料中会有一个又一个重复的晶胞。

在绝大多数非压电性晶体材料中，

晶胞里面的原子是对称分布在

一个中心点周围的。

但一些晶体材料并没有对称中心，

这使它们得以带有压电性。

我们来看看石英，

这是一种由硅和氧组成的压电材料。

氧带有轻微的负电荷，
而硅则带有轻微的正电荷，

这创造出电荷分离，

或者说是每个键上的偶极。

一般情况下，这些偶极会相互抵消，

所以在胞晶里没有电荷的净余分离。

但如果石英晶体受到某一特定方向的挤压，

原子就会发生转移。

因为电荷分布的非对称性，

偶极不再相互抵消。

这个受到拉伸的晶胞一边带有负电荷，

而另一边则带有正电荷。

这种电荷不平衡的情况会在材料中重复出现，

极性相反的电荷会在晶体的相反面上累积。

这促使电压的产生，电压能够通过电路驱动电力。

压电材料可以有不同的结构。

但它们有一个共同点就是
它们的晶胞中都没有对称中心。

而且施加给压电材料的力越强，

产生的电压就越大。

拉伸晶体，电压就会发生改变，

导致电流反向流动。

压电材料或许比你想象中的还要多。

DNA、

骨骼、

还有丝绸，

它们都可以将机械能转化为电能。

科学家已经创造出各种各样的合成压电材料，

并且将它们广泛应用在从医学影像

到喷墨打印机的领域中。

压电性还会产生有节奏的振动，

这是石英晶体得以让钟表准时运作的原因，

还能作为音乐生日卡片上的扬声器，

还有在你轻打开关的时候，

在烧烤架上产生让汽油点燃的火花。

压电设备或许会越来越普及，

因为电力需求量大而机械能又极其丰富。

已经有火车站利用乘客脚步这一机械能

来给检票门和显示器提供电力，

还有一个跳舞俱乐部利用压电性提供照明。

来回跑动的篮球运动员可以给记分牌提供电力吗？

沿街步行的同时还能让你的电子设备充上电吗？

压电性的下一种可能会是什么？