壓電效應與打火機點火原理分析

發布日期：2020-11-02 15:53　　　 瀏覽次數：次

1 引言

在我做大學物理實驗中的超聲波原理及應用專題實驗時，通過對超聲波的產生與傳播的研究，獲知超聲波是由壓電陶瓷產生的。在老師的提示下，得知由壓電陶瓷產生的壓電效應與電子打火機的點火原理有關，并且在其他很多領域有著廣泛的應用，比如利用它可以制作石英諧振器，陶瓷濾波器、陷波器、鑒頻器，拾音器、發聲器，水聲換能器，魚群探測器，壓電陶瓷變壓器，陶瓷壓力器，加速度計，超聲波發聲器等器件，還可以作為煤氣點火栓、導彈與魚雷爆炸時的電源。下面著重介紹壓電陶瓷與打火機點火原理。

2 壓電效應及其解釋

1880年法國物理學家皮埃爾和雅各居里兄弟實驗中發現：當某些晶體受到機械力而發生拉伸或壓縮時，晶體相對的兩個表面會出現等量的異號電荷�？茖W家把這種現象叫做壓電現象。具有壓電現象的介質，稱之為壓電體�？茖W家進一步研究發現，壓電體有正壓電效應和逆壓電效應兩種。

1．1 正壓電效應有些固體介質，如：石英(Sio2 )、電氣石、酒石酸鉀鈉(NaKC．H．O ·4H2O)、鈦酸鋇(BaTiO3) 等。由于它們結晶點陣的特殊結構，當它們發生機械形變(如壓縮或伸長)時，其相對的兩個表面會呈現異號電荷，外力與端面積愈大，則出現的電荷就愈多。端面電荷的符號視外力而定�？茖W家把這種效應叫做正壓電效應。當壓電體發生機械形變時，其極化強度隨之而變，導致表面吸附的自由電荷隨之而變。如果將兩個表面裝上電極并用導線接通，變化的自由電荷便從一個極板移至另一極板，形成電流。

1．2 逆壓電效應對于壓電體，同時還存在逆壓電效應。即當壓電體上加電場時，壓電體會發生機械形變(伸長或縮短)。如果壓電體上加交變電場，則壓電體就會交替出現伸長和壓縮，即發生機械振動。

1．3 壓電效應的解釋在離子性的晶體中，正、負離子有規則地交錯配置，構成結晶點陣。這樣就形成了固有電矩，在晶體表面出現了極化電荷，又由于晶體暴露在空氣中，經過一段時間，這些電荷便被降落到晶面上的、空氣中的異號離子所中和，因此極化面電荷和電矩都不會顯現。但是，當晶體發生機械形變時，晶格就會發生變化。這樣，電矩產生變化，表面極化電荷數值也發生改變。于是，面上正電荷或負電荷都有了可以測出的增量(增加或減少)，這種增量就是壓電效應的電量。

3 打火機點火原理

如圖1（a）所示。

由于陶瓷與周圍的空氣接觸，這些電荷被降落在晶體表面的空氣中的正負離子中和，如圖 1（b）所示，因此它不顯出電效應。若陶瓷一旦被壓縮，電矩取向發生變化，其極化電荷減少，與表面的正負離子中和程度降低，使降落在陶瓷表面的正負電荷增多。這些電荷可通過尖端放電產生電火花，打火機正是靠這火花將燃氣點燃的。

如某一型號的防風打火機的點火過程，其點火裝置如圖2（a）所示。

打火按鈕下有一方形小套A，內裝一個連著沖擊彈簧E的沖擊小砧。小方套A又通過復位彈簧 F裝在大方套B中，并使得沖擊小砧旁的限位桿恰好進入B方套的限位孔C中，B方套的底部裝一個圓柱狀的壓電陶瓷。當按鈕下壓時，由于限位桿 H的作用，小方套 A往下運動而沖擊小砧J被卡在 C孔處，從而使沖擊彈簧受壓縮，如圖2（b）所示。當小方套A的斜槽K部分滑到限位桿上時，斜槽邊緣壓迫限位桿把限位桿推出限位孔C，如圖2（C）所示。此時彈簧迅速恢復原長從而帶動沖擊小砧撞擊壓電陶瓷M，使陶瓷表面的正負電荷迅速增多，這些電荷通過尖端D向噴氣孔G放電，與此同時噴氣孔在聯動開關作用下噴出燃氣N，放電火花就將燃氣點燃。  

電子打火機的基本工作原理是：把一塊壓電材料塊（晶體結構）一端接上一段細導線，此導線與在打火機出氣口處的金屬材料形成一個缺口，通過機械機構使撞擊塊的撞擊時與氣源開啟同步。當撞擊塊以一定的沖擊能量或力撞擊壓電材料塊的另一端時，壓電材料的內部分子就會強烈振動，并將振動能量傳遞到導線中。由于導線的截面積與壓電材料塊的截面積之比懸殊很大，在導線中分子的振動就有了很大的加強趨勢。

 

當導線的端點分子強烈的振動撞擊缺口處的空氣分子時，空氣分子也就產生強烈振動�？諝夥肿诱駝拥倪\動軌跡就是我們看見的電火星（電弧光）。這些電火星（電弧光）實際上就是導線分子強烈振動并向打火機出氣口處的金屬材料傳遞能量時空氣分子振動的運動軌跡，說明缺口處的空氣分子振動很厲害。按照振動理論的說法振動強烈就是物質溫度很高，當這個溫度超過打火機內的液化氣的燃點時，跑出來的氣體就會被點燃，形成火焰，火焰就是劇烈振動著的氣體物質分子影象。這就是打火機的基本工作原理，其他電子打火裝置的道理與此相同。

 4 結論

綜上所述，在老師的引導下，我對打火機的點火原理的研究使我收獲很多，明白了電子打火機正是利用壓電效應進行工作的，而壓電效應除此應用外還有很多。而近年來人們合成方法研制出許多具有壓電效應和逆壓電效應的聚合物材料，并將這些材料冠名為“人造肌肉”。從而對于醫學與人類健康的研究指明了方向，而壓電效應與其應用也將更加貼近于我們的生活。 

 

                                                                                                   作者：曾俊豪

                                                             （北京交通大學-運輸1002）