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壓電效應的打火機

壓電效應是某些介質在力的作用下產生形變時,在介質表面出現異種電荷的現象。實驗表明,這種束縛電荷的電量與作用力成正比,而電量越多,相對應的兩表面電勢差(電壓)也越大。這種神奇的效應已被應用到與人們生產、生活、軍事、科技密切相關的許多領域,以實現力──電轉換等功能。例如用壓電陶瓷將外力轉換成電能的特性,可以生產出不用火石的壓電打火機、煤氣竈打火開關、炮彈觸發引信等。此外,壓電陶瓷還可以作為敏感材料,應用於擴音器、電唱頭等電聲器件;用於壓電地震儀,可以對人類不能感知的細微振動進行監測,並精確測出震源方位和強度,從而預測地震,減少損失。利用壓電效應制作的壓電驅動器具有精確控制的功能,是精密機械、微電子和生物工程等領域的重要器件。可以說,壓電陶瓷等器件不僅廣泛應用於科技領域,還頗具“平民性”,對廣大“煙民”來說,天天與壓電陶瓷發生著“零接觸”,卻熟視無睹其存在。

目前流行的壹次性塑料打火機,有相當壹部分是采用壓電陶瓷器件來打火的。取出其中的壓電打火元件, 壓電打火機的電壓陶瓷元件產生的瞬間電壓用什麽儀器可以測量呢?起初,我們試圖用普通指針式多用電表直流高壓擋測量,發現每次按動點火元件的黑色塑料壓桿時,由於兩個電極接出的電壓只能使指針略微抖動壹下。分析原因是,因為電壓脈沖持續時間甚短,指針慣性較大,指針無法同步體現電壓的變化做大幅偏轉。

換用數字顯示型多用電表,本以為其無指針慣性影響,應該能讀出瞬間高電壓來,誰知事與願違,我們根本看不到預想的高電壓讀數,只能看到壹些變換不定的低電壓數據。分析起來,這是由於液晶顯示響應速度較慢,點火電壓脈沖持續時間甚短,來不及顯示最高瞬間電壓,只能顯示電壓降落(較平緩階段)過程中的某些隨機電壓讀數。

最後,我們搬出實驗室的“重磅武器”──示波器,再做壹試。我們用的是實驗室最普通的J2459型學生示波器,連接線為兩條普通的帶終魚夾的導線。從理論上講,示波器是利用電子束偏轉後打在熒光屏上顯示光點移動的,電子束慣性極小,應該能“跟蹤”上點火高壓脈沖的變化,實驗結果不出所料。 把示波器交直流選擇開關置於“DC”擋,掃描範圍置於“10~100kHz”擋,用X移位和Y移位將水平亮線移到方格坐標的中央部,置X軸上。為了能估測壓電效應的最高電壓幅值,我們必須先用熒光屏前的方格坐標系,定出電壓標尺:利用接在示波器Y輸入接線柱上的兩根導線,把壹節幹電池的1.5V電壓加在示波器上,衰減放在1,Y增益放在最低,可以發現剛才的水平亮線上跳(或下跳)兩格左右,即此時兩格代表1.5V電壓。在Y增益不變的情況下,再將Y衰減放在1000(即千分之壹)擋,熒光屏前方格坐標的兩格就可以代表1500V了。

將Y輸入接線柱上的兩根饋線的鱷魚夾分別接在壓電打火機壓電元件的兩個電極上,迅速按下其黑色塑料壓桿,可以看到原來位於中央高度的水平亮線向上(或向下)跳動又恢復原位。由於熒光屏的余暉作用,水平亮線在示波器上顯現的是壹條高度達四格的亮帶,這表明該脈沖的電壓幅值在3000V以上。

如果想觀察這個電壓脈沖的波形,可以每次按動壓桿的同時,細心調節示波器“掃描微調”旋鈕(事先將掃描範圍換到“10~100Hz”擋),我們可以在熒光屏上看到如圖2所示的波形,其電壓上升較陡,降低較平緩,峰值在四格以上。 將示波器的衰減擋置於1000擋,掃描範圍置於“10~100Hz”擋,“掃描微調”左旋到底,即掃描頻率為10Hz,調節“X增益”和“X移位”旋鈕,使X軸掃描線充滿10格,那麽每壹格代表1/10×1/10s,即0.01按下壓電元件的黑色塑料壓桿,可以看到壓電脈沖持續壹格,如圖3所示,即對應於0.01s,也就是說,該脈沖持續時間約為0.01s。