压电效应与打火机点火原理分析

曾俊豪

（北京交通大学-运输1002）

摘要：本文介绍了压电效应；着重分析了打火机点火原理与压电效应的紧密联系

关键词：压电效应；打火机；点火原理

1 引言

在我做大学物理实验中的超声波原理及应用专题实验时，通过对超声波的产生与传播的研究，获知超声波是由压电陶瓷产生的。在老师的提示下，得知由压电陶瓷产生的压电效应与电子打火机的点火原理有关，并且在其他很多领域有着广泛的应用，比如利用它可以制作石英谐振器，陶瓷滤波器、陷波器、鉴频器，拾音器、发声器，水声换能器，鱼群探测器，压电陶瓷变压器，陶瓷压力器，加速度计，超声波发声器等器件，还可以作为煤气点火栓、导弹与鱼雷爆炸时的电源。下面着重介绍压电陶瓷与打火机点火原理。

2 压电效应及其解释

1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟实验中发现：当某些晶体受到机械力而发生拉伸或压缩时，晶体相对的两个表面会出现等量的异号电荷。科学家把这种现象叫做压电现象。具有压电现象的介质，称之为压电体。科学家进一步研究发现，压电体有正压电效应和逆压电效应两种。

1．1 正压电效应有些固体介质，如：石英(Sio2 )、电气石、酒石酸钾钠(NaKC．H．O ·4H2O)、钛酸钡(BaTiO3) 等。由于它们结晶点阵的特殊结构，当它们发生机械形变(如压缩或伸长)时，其相对的两个表面会呈现异号电荷，外力与端面积愈大，则出现的电荷就愈多。端面电荷的符号视外力而定。科学家把这种效应叫做正压电效应。当压电体发生机械形变时，其极化强度随之而变，导致表面吸附的自由电荷随之而变。如果将两个表面装上电极并用导线接通，变化的自由电荷便从一个极板移至另一极板，形成电流。

1．2 逆压电效应对于压电体，同时还存在逆压电效应。即当压电体上加电场时，压电体会发生机械形变(伸长或缩短)。如果压电体上加交变电场，则压电体就会交替出现伸长和压缩，即发生机械振动。

1．3 压电效应的解释在离子性的晶体中，正、负离子有规则地交错配置，构成结晶点阵。这样就形成了固有电矩，在晶体表面出现了极化电荷，又由于晶体暴露在空气中，经过一段时间，这些电荷便被降落到晶面上的、空气中的异号离子所中和，因此极化面电荷和电矩都不会显现。但是，当晶体发生机械形变时，晶格就会发生变化。这样，电矩产生变化，表面极化电荷数值也发生改变。于是，面上正电荷或负电荷都有了可以测出的增量(增加或减少)，这种增量就是压电效应的电量。

3 打火机点火原理

如图1（a）所示。

由于陶瓷与周围的空气接触，这些电荷被降落在晶体表面的空气中的正负离子中和，如图 1（b）所示，因此它不显出电效应。若陶瓷一旦被压缩，电矩取向发生变化，其极化电荷减少，与表面的正负离子中和程度降低，使降落在陶瓷表面的正负电荷增多。这些电荷可通过尖端放电产生电火花，打火机正是靠这火花将燃气点燃的。

如某一型号的防风打火机的点火过程，其点火装置如图2（a）所示。

打火按钮下有一方形小套A，内装一个连着冲击弹簧E的冲击小砧。小方套A又通过复位弹簧 F装在大方套B中，并使得冲击小砧旁的限位杆恰好进入B方套的限位孔C中，B方套的底部装一个圆柱状的压电陶瓷。当按钮下压时，由于限位杆 H的作用，小方套 A往下运动而冲击小砧J被卡在 C孔处，从而使冲击弹簧受压缩，如图2（b）所示。当小方套A的斜槽K部分滑到限位杆上时，斜槽边缘压迫限位杆把限位杆推出限位孔C，如图2（C）所示。此时弹簧迅速恢复原长从而带动冲击小砧撞击压电陶瓷M，使陶瓷表面的正负电荷迅速增多，这些电荷通过尖端D向喷气孔G放电，与此同时喷气孔在联动开关作用下喷出燃气N，放电火花就将燃气点燃。  

电子打火机的基本工作原理是：把一块压电材料块（晶体结构）一端接上一段细导线，此导线与在打火机出气口处的金属材料形成一个缺口，通过机械机构使撞击块的撞击时与气源开启同步。当撞击块以一定的冲击能量或力撞击压电材料块的另一端时，压电材料的内部分子就会强烈振动，并将振动能量传递到导线中。由于导线的截面积与压电材料块的截面积之比悬殊很大，在导线中分子的振动就有了很大的加强趋势。

当导线的端点分子强烈的振动撞击缺口处的空气分子时，空气分子也就产生强烈振动。空气分子振动的运动轨迹就是我们看见的电火星（电弧光）。这些电火星（电弧光）实际上就是导线分子强烈振动并向打火机出气口处的金属材料传递能量时空气分子振动的运动轨迹，说明缺口处的空气分子振动很厉害。按照振动理论的说法振动强烈就是物质温度很高，当这个温度超过打火机内的液化气的燃点时，跑出来的气体就会被点燃，形成火焰，火焰就是剧烈振动着的气体物质分子影象。这就是打火机的基本工作原理，其他电子打火装置的道理与此相同。

 4 结论

综上所述，在老师的引导下，我对打火机的点火原理的研究使我收获很多，明白了电子打火机正是利用压电效应进行工作的，而压电效应除此应用外还有很多。而近年来人们合成方法研制出许多具有压电效应和逆压电效应的聚合物材料，并将这些材料冠名为“人造肌肉”。从而对于医学与人类健康的研究指明了方向，而压电效应与其应用也将更加贴近于我们的生活。 

 【参考文献】 【1】 无线电)编辑部．电子爱好者实用资料大全【M】．北京：电子工业出版社，1989，395—4l1． 【2】 成正维，牛原．大学物理实验【M】．北京：北京交通大学出版社，2010,227—232． 【3】 曹良玉，赵春堂．传感器技术及其应用【M】．中国现代教育社，2005．