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當你輕輕按下打火機的按鈕，一束微小卻明亮的火花瞬間點燃了氣體，這個看似簡單的動作背后，其實隱藏著一項神奇的物理現象——壓電效應。那么，打火機究竟是如何利用這一效應來產生火花的呢？壓電效應的原理又是怎樣的？

（圖片來源：[2]）

什么是壓電效應？

壓電效應（Piezoelectric Effect）是一種物理現象，當某些材料受到機械壓力（如擠壓或拉伸）時，會在其表面產生電荷。這個詞來源于希臘語中的“piezo”，意為“壓”或“擠”，而“electric”則表示電。因此，壓電效應就是物質在受到外力作用時，表現出的電學現象。

(上左)雅克和皮埃爾 ? 居里兄弟及壓電測試；(下)逆壓電由Lipmann基于數學推演提出并被居里兄弟倆驗證。（圖片來源：[3]）

壓電效應最早由皮埃爾和雅克·居里兄弟在1880年發現。當時他們通過實驗發現，某些晶體材料（如石英、長石等）在受到壓力時，會在晶體的表面積聚電荷。這種現象是由物質的分子或原子的結構所決定的：在這些材料中，正負電荷的中心位置不重合，形成了電偶極矩。當外力作用于這些材料時，電荷會發生偏移，產生電壓。

壓電效應的原理

要了解壓電效應，我們首先需要知道一些基本的物理概念。所有物質的分子或原子都包含帶電的粒子（電子、質子等）。在壓電材料中，這些粒子通常會排列成對稱的結構，使得正負電荷的中心幾乎重合。因此，這些材料在沒有外力作用時，通常不會產生電場。

（圖片來源：[5]）

然而，當外力作用于壓電材料時，分子或原子的排列會發生變化，導致正負電荷的中心發生偏移。這樣，壓電材料的表面就會出現電荷分離，從而產生電場和電壓。這種電壓的大小與施加的壓力成正比。

正逆壓電效應（圖片來源：[4]）

壓電效應具有兩個特點：一是它的效果是瞬時的，即施加壓力后電荷立即產生，但一旦壓力消失，電荷也會立即消失；二是壓電效應是可逆的，施加電壓時，壓電材料會發生形變。

壓電效應的應用

壓電效應的應用非常廣泛，涉及到許多領域。我們可以通過以下幾個例子來了解壓電效應在現代科技中的神奇作用：

01

壓電傳感器

壓電傳感器是一種基于壓電效應的設備，廣泛應用于測量壓力、振動、加速度等物理量。例如，在汽車中，壓電傳感器用于檢測汽車的碰撞力，幫助安全氣囊系統判斷是否需要展開。在工業設備中，壓電傳感器也常用于檢測機器的狀態、振動和聲音，及時發現潛在故障。

（圖片來源：[6]）

02

壓電揚聲器和麥克風

壓電效應還被應用于揚聲器和麥克風的工作原理中。揚聲器中的壓電材料可以將電信號轉化為機械振動，產生聲音。而在麥克風中，聲波會使壓電材料產生形變，從而將聲音轉化為電信號。這種技術不僅在音響設備中普遍使用，還是許多通訊設備中不可或缺的組成部分。

不同類型的MEMS揚聲器（圖片來源：[7]）

03

能量收集

一個令人興奮的應用領域是將壓電效應用于能量收集。例如，穿戴式設備（如智能手表或運動手環）可以利用用戶的運動（如走路或跑步）來產生電能，從而為設備充電。壓電材料能夠捕捉到運動時產生的機械能，并將其轉化為電能，為設備提供部分能量。這種“綠色”能源方式越來越受到關注，尤其是在低功耗設備和無線傳感器網絡的應用中。

04

醫療領域

在醫療設備中，壓電效應也起著重要作用。例如，超聲波診斷儀就是利用壓電效應工作的。超聲波探頭中的壓電材料會根據電信號的變化產生機械波，從而發送超聲波到體內。探頭接收到從體內反射回來的波后，再通過壓電效應轉換成電信號，從而獲得圖像和數據。

05

打火機

壓電效應在我們生活中最常見的應用就是打火機。打火機內部裝有壓電材料，當我們按動打火機的按鈕時，實際上是按壓了里面的壓電材料。壓電材料在受到機械壓力時，內部正負電荷中心會產生相對位移，導致材料兩端表面出現符號相反的束縛電荷。這種電荷的極化產生了高壓電場。高壓電場通過導線傳導到氣孔，金屬的線頭和金屬的氣孔噴嘴構成正負極，產生的電弧就能把氣體點燃。

（圖片來源：[1]）

參考文獻

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/HpGMSxVpuPsxKCsVDHecIw

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/93LaGlDZJ65lfRLCJFs75g

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/OxZwo84BxY53c_vR634W3g

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/TY2uqnW25TUwp46mxuOgRw

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/RbHnDjypp6XHK0n4NqekBA

[6]https://mp.weixin.qq.com/s/-x1dRRojCDeLwaUpgZujZw

[7]https://mp.weixin.qq.com/s/WI7IZvJ42SiOU9ufmb6DzQ

圖片源自于網絡和AI創作，僅供科普參考

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