“吃冰糖会触电”背后的物理原理

没刷题的吴奶奶用实验给我们展示了“吃冰糖会触电”的说法。我首先想到的是压电效应:当外部应力施加到材料上时，就会产生电压。压电材料有很多种，但应时是发现的第一种压电晶体。我们将以应时为例来说明这些材料是如何表现出这种独特的特征的。

通过切割应时晶体并压缩它，我们可以测量切片上的电压，但前提是切割角度恰到好处。为了理解切割角度的重要性，我们需要看看应时的晶格结构。起初，应时的结构看起来非常复杂，但当我们旋转到直角时，我们会发现熟悉的六边形。

微观结构

首先，我们需要了解一个叫做电负性的概念。应时晶体由氧原子和硅原子组成，其中氧原子和硅原子共享一个电子。因为氧原子的尺寸更小，共享电子更靠近氧的原子核，所以氧对电子的作用力大于硅。所以氧的电负性比硅大，有轻微的负电荷，这也意味着硅原子会有轻微的正电荷。氧和硅原子一起在应时晶体中形成偶极子。

这些偶极子头尾相连，它们形成了上面提到的六边形。虽然这个六边形不是正六边形，但它是以负原子和正原子的电荷中心重合的方式排列的。如果我们用红色代表负电荷，用黄色代表正电荷，那么在未压缩的晶体中，红色和黄色完全重叠形成中性绿色。如果我们对分子施加压力，电荷中心将不再重合。这就是所谓的极化，也就是说在净正电荷和负电荷之间会产生一个电场，在上面产生一个很小的电压，就像一个小电池一样。如果我们对整个应时施加压力，就会有很多小电池串并联在一起，输出更高的电压。

原则上，任何晶体只要满足某些条件，都可以是压电材料。第一，晶格需要一些极性键，也就是说有些原子带轻微的正电荷，有些带轻微的负电荷。这就是钻石没有压电的原因。它们中的所有碳原子都是中性的。第二个标准更微妙。它需要缺乏某种对称性，否则在压缩过程中电荷的平均位置不会改变。例如，在应时，六边形的对角是不同种类的原子。

实际应用

压电效应在现实生活中应用广泛，最常见的属于打火机。当我们按打火机时，我们实际上是按了里面的压电陶瓷。它能产生几千伏的高压，通过导线连接后，能以极小的缝隙击穿空气，使打火机出来的气体被点燃。此外，还有一些麦克风利用压电效应将声音振动转化为电信号，这种麦克风称为压电式麦克风。更先进的是，一些植入设备使用压电效应作为其能量供应。

有趣的是，压电效应也是可逆的；它的压缩能量可以产生电压，如果施加电压，它也可以被压缩或膨胀。利用这个原理最经典的例子就是石英表，里面有一个应时水晶，通电后每秒可以振动32768次。

在一些小设备中，由于空间不够大，无法安装旋转风扇散热。这时，一种压电风扇就派上了用场。当我们给它施加交流电压时，它里面的压电材料就会振动，从而带动它上面的薄片扇动，就像我们的手摇风扇一样。