什么是压电晶体及其工作原理？

我们已经找到了很多方法来利用某些晶体的这种奇怪特性，但最重要的效果早在我们出现之前就已经出现了。

石英是唯一常见的压电天然元素，这意味着它在挤压时可以发电，但我们自己也制造了很多其他元素。

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最近，压电晶体被认为是影响文明兴衰的自然现象的原因。人们也经常努力寻找它对社会有用的应用，尽管其中许多最终只是出于好奇。那么，什么是压电性，为什么具有压电性的晶体会以自己独特的方式表现出来？

什么是压电？

某些物质在受到物理压力时会产生电荷不平衡。电子在某些部分积聚，产生负电势；而其他区域则耗尽了电子，因此形成正电势。

石英是最常见的显示压电性的材料，其储量如此之多，以至于很多人可能已经注意到，当受到挤压时，它可以吸引带电物体。当然，石英不容易挤压，这可能就是为什么在皮埃尔·居里和他的兄弟雅克于1880年发表有关石英的研究之前没有这些观察记录的原因。 

居里夫妇表明，某些晶体在受到压力时会发生电极化，并且场强与所施加的力成正比。这个名字来自古希腊词piézō，“挤压”。对于雅克来说，这是他科学生涯的亮点，而皮埃尔则因许多其他事情而更加出名。 

当时我们对电的理解还处于起步阶段，并且只开发了一些实际应用，这一发现有助于在普遍现象中引起兴奋，但最初本身只是一种好奇。

当电场施加到压电材料时，它会变形，这种现象称为逆压电效应。这种变化通常很小——也许是千分之一——但这对于一些实际应用来说已经足够了。

为什么有些东西是压电的，但大多数不是？

压电现象最初是在晶体中观察到的。居里夫妇尝试挤压各种晶体材料，看看哪些材料被证明具有压电性，并找到最强的效应。除了罗谢尔盐之外，酒石酸和石英也是它们的明星例子。

尽管当时对原子在晶体中排列方式的了解有限，兄弟俩还是能够推断出压电晶体的共同特征与其对称轴有关。压电行为要求晶体具有极性键，其中一些原子比其他原子更紧密地保留电子。它们还必须缺乏反演对称性，也就是说，当组件放置在对称中心的相对侧时，它们是不同的，

尽管压电晶体的种类多于非压电晶体，但表现出强压电效应的晶体在自然界中很少见，石英是唯一常见的一种。

在压电晶体中，压力导致电偶极子排列，而不是随机排列，因此它们的累积效应产生一个场。

从那时起我们就了解到压电性并不局限于晶体。具有随机取向晶粒的铁电陶瓷（那些以抵抗外部场反转的方式电极化的陶瓷）可以是压电陶瓷。其中包括可能代表太阳能未来的钙钛矿材料。 

一些聚合物还表现出弱压电行为，因为电荷在材料内的空隙周围积聚，并在空隙变形时变得集中。当压电液体被发现时，这一领域的巨大惊喜偶然出现，在字面上和智力上都震惊了研究人员。

为什么压电很重要？ 

压电已找到许多应用。在大多数物质中，压电效应都很弱，以至于很难利用。然而也有例外——石英晶体上适当的压力可以产生数千伏的电势差，而无需携带不切实际的大型设备。

石英晶体上突然受压时产生的电流会产生跳跃间隙的火花，是打火机以及燃气加热器和炉灶点火装置的基础。

另一方面，通过改变压电晶体周围的电场，逆效应可以使粘在晶体上的金属板非常快速地振动。当每秒执行数千次时，这些振动被用来产生第一个声纳，用于绘制海底地图并探测潜艇。类似的方法使得生产更轻的无线电发射器成为可能，使飞机在第二次世界大战期间能够在飞行中相互通信

最近的一篇论文揭示了石英的压电特性可能是金沉积在石英脉中并形成浓缩金块的原因。这些金块的经济影响——以及它们的存在使帝国兴衰的方式——意味着，如果这是真的，自然压电对我们历史的影响可能比人类设计的任何应用都更大。

可能还有更重要的压电效应，但我们尚未完全了解它们。许多身体部位，例如骨骼，都是压电的，人们认为它们利用压电来生长。例如，这可能就是眼眶中骨骼萎缩的原因；地球重力产生的应力使它们通过压电再生。

压电已经让足够多的科学家着迷，一些人看到了更多改变世界的应用的潜力。例如，用压电材料铺设道路并通过在路面上行驶的汽车产生大量电力的想法，或者发电鞋的想法时不时地引起公众的关注。然而，这些报告通常没有考虑到这种方法的低效率，甚至在考虑到巨大成本之前也是如此。更朴素的版本可用作营销设备，例如夜总会，通过在压电地板上跳舞的人们提供灯光。

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