打火机的原理是什么?与碧玺宝石又有什么关系

受疫情的影响,笔者一直闲在家里。小朋友问了笔者这样一个看似简单而又复杂的问题,我们日常使用的打火机的原理是怎么样的?又是怎么被发明的呢?小孩子对于很多事物都是非常好奇,于是便进行了解答。

打火机的原理是什么?与碧玺宝石又有什么关系

各种颜色的打火机

打火机的发明

1914年第一次世界大战爆发,导致成千上万人流离失所。英国为了赢得战争的主动权以及消除前线战士的恐惧心理,派出了很多得文艺演出团到前线安慰士兵,伦敦杂技团演员丹希尔被征召到前线演出慰问士兵。

在一次阻击战中,英国士兵伤亡惨重。卫生人员和文艺演出人员都被安排到前线去给士兵包扎处理伤口,丹希尔也被安排去了。一位战士伤势非常严重,拒绝丹希尔给他包扎伤口。让丹希尔把物质留给有需要的人,自己只要求丹希尔给他一支烟。

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叼着烟死去的士兵

他对丹希尔说道,老弟可否给我一支烟,我想抽一支烟再到天堂。丹希尔给他了一支烟,但是这位战士终究还是没有抽到烟就死了。因为当时刚下过雨,非常的潮湿,火柴都受潮了,根本没有办法点燃。当丹希尔找到一盒能用火柴时,这个士兵嘴里叼着一只没有点燃的香烟已经去世了。

这件事对丹希尔触动非常大,他一直在想能不能做出一个便携、防潮的打火工具,来替代火柴。经过不懈的努力,终于在两年后的一个深夜,丹希尔拿到了由金属壳体和顶盖结构组成的“金属火柴”。丹希尔给这种东西起了个名字,叫打火机。经过不断发展改善,也就发展到了我们现在用的打火机。

打火机原理

打火机的原理就是利用了压电效应,打火机内部有压电陶瓷元件,这个元件一端接上导线,引出到打火机的出气口。在外界电场作用下,压电陶瓷内部的电荷中心发生相对位移极化。压电陶瓷的内部表面会出现符号相反的正负束缚电荷,外表面出现极性相反的自由电荷。

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按压压电元件,出现放电

受到外力作用时,自由电荷被内部束缚电荷排斥走,这也就导致压电陶瓷向外放电(外界按压的机械能转换为电能)按下的瞬间机械结构带动了打火机的储气阀门开启,压电陶瓷放出的20000V高压电击穿空气产生火花,丁烷气体遇到火花而点燃。

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打火机结构图

这一个我们还可以从以前家用的煤气灶得出结论,用手拧一下点火开关,就可以打火。这就和打火机的原理一个样,可以说是打火机的放大版。(现在的燃气灶已经基本淘汰了这种设计,用的是装电池,利用电池给内部电子脉冲发生装置供电,产生高电压)

什么是压电效应

1880年皮埃尔·居里和他的兄弟发现电气石具有压电效应,碧玺的矿物学名叫作电气石,在我们国家又被称为宝石。

什么是压电效应?这一点可以通过一个实验得到证实。找来一个压电原件,引出线两端接入到电压表的两根表针上。用手去按压压电元件的表面,可以发现电压表的指针出现摆动,这就是压电效应。

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电压表出现摆动

压电元件本身是没有电的,电气石本身也是没有电的。但是当外力挤压作用在电气石上,电气石发生了形变,它的内部两侧就会出现正负电荷。表现出有电的状态,这时按压力产生的机械能转化为电能。这被称之为正压电效应,逆压电效应与正压电效应相反。

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正压电效应与逆压电效应

先给压电原件进行通电,这个时候元件就会产生形变。如果通入的是高频交流电,元件就会出现反复的形变,也就是振动。这就是逆压电效应,这是电能转化为了机械能。

事实上压电效应并不只是在打火机上有利用,打火机只是它的冰山一角。它在军事领域上的地位极高,尤其是在二战以后。利用压电效应做的压电聚合物水声换能器,更是在战争中起到了重要作用。

在二战中,潜水艇深受各国的烦恼。而压电效应的发展,让人们更加容易的能够发现隐藏在海底的潜水艇。它利用的就是逆压电效应,在压电元件上通入高频电,压电元件就会持续发生形变产生振动。而物理学上对声音的解释是,声音是由振动产生的。这就会发出超声波,超声波可以探测海底的物质。如果说海底有潜水艇的存在,超声波就会被传回来。

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声呐探测深海潜水艇

被传回来的超声波怎么被接收到,这时就要利用到正压电效应,超声波到达压电元件,会让元件发生形变。

不仅仅是在军用方面,在民用的机器人方面也有独特的利用。例如在机器人接近视觉应用的超声波传感器,人耳能够听到的声音振动频率为20-20000HZ,而超声波的振动频率是20KHZ。人耳是听不到超声波,利用超声波在机器人中也可以避免声音对人的干扰。

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超声波测距简单原理图

超声波传感器利用在机器人上,能够为机器人下一步做什么做出一个判断。也就是一个行走机器人话,在它运动前,会首先发出一连串脉冲超声波并停止发射。这时候接收器开始运行,如果机器人前方有物体,超声波被反射回来,可以通过计算发射和反射回来用的时间得出距离障碍物的距离。这可以避免出现机器碰撞、机器伤人的现象出现。

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减震器

在自行车减震器上,以目前使用压电材料的ACX减震器为例。它能给骑行者带来更加舒适的体验,它的压电传感器每秒50次的速率监测冲击活塞的运动。活塞运动频繁则说明道路比较坎坷,就会启动最大的减震性能。而活塞运动较为平缓,则说明道路较为平缓,就会适当的降低性能,减少减震器的磨损。

在压电陶瓷的发展中,目前主要是发展压电陶瓷-高聚物复合材料、PbTiO3系压电材料、细晶粒压电陶瓷。

现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶(A=Zn2+,Mg2+)。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95(压电陶瓷K33最高达0.8),其应变>1.7%,几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。

结语

在笔者看来,压电效应的发现是人类发展史上最重要的发现之一。它在很大程度上改善了农村和城镇居民的生活质量,为什么压电反应与人们生活质量挂钩?

在之前没有天然气和液化石油气之前,做饭需要用地锅。点燃柴火用的是火柴,如果碰上连续的阴天下雨,火柴就会受潮没办法点燃,没有火就做不了饭。笔者对这个是非常有体会,小时候家里就曾出现过这种没火现象,最后还是冒着雨去邻居家借的火来做饭。而压电效应做的打火机就将这一现象变为了历史,即使是阴天下雨,打火机仍然可以打火做饭。

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老式火柴

而当之前的人们按下煤气灶的点火开关,就能用到火。这也是得益于压电效应,看似一个很不起眼的压电效应,却在人们生活发展中立了大功。

回到前文打火机的原理,笔者认为大家都会有那么一个疑问。打火机发出的电压是20000V,为什么我们用它去电小伙伴,小伙伴却不会被电死,而家用的220V电就可以把人电死。这个问题的解决就要说电功率问题,根据P=ui计算公式。压电元件的功率非常的小,而电压又是20000V,它的电流是超级微小的,对人体是没有伤害。

而家用220V电就不一样了,人体触摸上就相当于一个电阻器。通过人体的电流非常大,交流15-20mah,直流50mah或这个数值以下的电流对人体来说是相对比较安全的。而触摸220V电,通过人体电流可以达到几十安培,电死人也是正常。

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