受疫情的影響，筆者一直閑在家裡。小朋友問了筆者這樣一個看似簡單而又複雜的問題，我們日常使用的打火機的原理是怎麼樣的？又是怎麼被發明的呢？小孩子對于很多事物都是非常好奇，于是便進行了解答。

各種顔色的打火機

1914年第一次世界大戰爆發，導緻成千上萬人流離失所。英國為了赢得戰争的主動權以及消除前線戰士的恐懼心理，派出了很多得文藝演出團到前線安慰士兵，倫敦雜技團演員丹希爾被征召到前線演出慰問士兵。

在一次阻擊戰中，英國士兵傷亡慘重。衛生人員和文藝演出人員都被安排到前線去給士兵包紮處理傷口，丹希爾也被安排去了。一位戰士傷勢非常嚴重，拒絕丹希爾給他包紮傷口。讓丹希爾把物質留給有需要的人，自己隻要求丹希爾給他一支煙。

叼着煙死去的士兵

他對丹希爾說道，老弟可否給我一支煙，我想抽一支煙再到天堂。丹希爾給他了一支煙，但是這位戰士終究還是沒有抽到煙就死了。因為當時剛下過雨，非常的潮濕，火柴都受潮了，根本沒有辦法點燃。當丹希爾找到一盒能用火柴時，這個士兵嘴裡叼着一隻沒有點燃的香煙已經去世了。

這件事對丹希爾觸動非常大，他一直在想能不能做出一個便攜、防潮的打火工具，來替代火柴。經過不懈的努力，終于在兩年後的一個深夜，丹希爾拿到了由金屬殼體和頂蓋結構組成的“金屬火柴”。丹希爾給這種東西起了個名字，叫打火機。經過不斷發展改善，也就發展到了我們現在用的打火機。

打火機的原理就是利用了壓電效應，打火機内部有壓電陶瓷元件，這個元件一端接上導線，引出到打火機的出氣口。在外界電場作用下，壓電陶瓷内部的電荷中心發生相對位移極化。壓電陶瓷的内部表面會出現符号相反的正負束縛電荷，外表面出現極性相反的自由電荷。

按壓壓電元件，出現放電

受到外力作用時，自由電荷被内部束縛電荷排斥走，這也就導緻壓電陶瓷向外放電（外界按壓的機械能轉換為電能）按下的瞬間機械結構帶動了打火機的儲氣閥門開啟，壓電陶瓷放出的20000V高壓電擊穿空氣産生火花，丁烷氣體遇到火花而點燃。

打火機結構圖

這一個我們還可以從以前家用的煤氣竈得出結論，用手擰一下點火開關，就可以打火。這就和打火機的原理一個樣，可以說是打火機的放大版。（現在的燃氣竈已經基本淘汰了這種設計，用的是裝電池，利用電池給内部電子脈沖發生裝置供電，産生高電壓）

1880年皮埃爾·居裡和他的兄弟發現電氣石具有壓電效應，碧玺的礦物學名叫作電氣石，在我們國家又被稱為寶石。

什麼是壓電效應？這一點可以通過一個實驗得到證實。找來一個壓電原件，引出線兩端接入到電壓表的兩根表針上。用手去按壓壓電元件的表面，可以發現電壓表的指針出現擺動，這就是壓電效應。

電壓表出現擺動

壓電元件本身是沒有電的，電氣石本身也是沒有電的。但是當外力擠壓作用在電氣石上，電氣石發生了形變，它的内部兩側就會出現正負電荷。表現出有電的狀态，這時按壓力産生的機械能轉化為電能。這被稱之為正壓電效應，逆壓電效應與正壓電效應相反。

正壓電效應與逆壓電效應

先給壓電原件進行通電，這個時候元件就會産生形變。如果通入的是高頻交流電，元件就會出現反複的形變，也就是振動。這就是逆壓電效應，這是電能轉化為了機械能。

事實上壓電效應并不隻是在打火機上有利用，打火機隻是它的冰山一角。它在軍事領域上的地位極高，尤其是在二戰以後。利用壓電效應做的壓電聚合物水聲換能器，更是在戰争中起到了重要作用。

在二戰中，潛水艇深受各國的煩惱。而壓電效應的發展，讓人們更加容易的能夠發現隐藏在海底的潛水艇。它利用的就是逆壓電效應，在壓電元件上通入高頻電，壓電元件就會持續發生形變産生振動。而物理學上對聲音的解釋是，聲音是由振動産生的。這就會發出超聲波，超聲波可以探測海底的物質。如果說海底有潛水艇的存在，超聲波就會被傳回來。

聲呐探測深海潛水艇

被傳回來的超聲波怎麼被接收到，這時就要利用到正壓電效應，超聲波到達壓電元件，會讓元件發生形變。

不僅僅是在軍用方面，在民用的機器人方面也有獨特的利用。例如在機器人接近視覺應用的超聲波傳感器，人耳能夠聽到的聲音振動頻率為20-20000HZ，而超聲波的振動頻率是20KHZ。人耳是聽不到超聲波，利用超聲波在機器人中也可以避免聲音對人的幹擾。

超聲波測距簡單原理圖

超聲波傳感器利用在機器人上，能夠為機器人下一步做什麼做出一個判斷。也就是一個行走機器人話，在它運動前，會首先發出一連串脈沖超聲波并停止發射。這時候接收器開始運行，如果機器人前方有物體，超聲波被反射回來，可以通過計算發射和反射回來用的時間得出距離障礙物的距離。這可以避免出現機器碰撞、機器傷人的現象出現。

減震器

在自行車減震器上，以目前使用壓電材料的ACX減震器為例。它能給騎行者帶來更加舒适的體驗，它的壓電傳感器每秒50次的速率監測沖擊活塞的運動。活塞運動頻繁則說明道路比較坎坷，就會啟動最大的減震性能。而活塞運動較為平緩，則說明道路較為平緩，就會适當的降低性能，減少減震器的磨損。

在壓電陶瓷的發展中，目前主要是發展壓電陶瓷-高聚物複合材料、PbTiO3系壓電材料、細晶粒壓電陶瓷。

現已發現并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶（A=Zn2 ,Mg2 ）。這類單晶的d33最高可達2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高達0.95（壓電陶瓷K33最高達0.8），其應變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應變高一個數量級。

在筆者看來，壓電效應的發現是人類發展史上最重要的發現之一。它在很大程度上改善了農村和城鎮居民的生活質量，為什麼壓電反應與人們生活質量挂鈎？

在之前沒有天然氣和液化石油氣之前，做飯需要用地鍋。點燃柴火用的是火柴，如果碰上連續的陰天下雨，火柴就會受潮沒辦法點燃，沒有火就做不了飯。筆者對這個是非常有體會，小時候家裡就曾出現過這種沒火現象，最後還是冒着雨去鄰居家借的火來做飯。而壓電效應做的打火機就将這一現象變為了曆史，即使是陰天下雨，打火機仍然可以打火做飯。

老式火柴

而當之前的人們按下煤氣竈的點火開關，就能用到火。這也是得益于壓電效應，看似一個很不起眼的壓電效應，卻在人們生活發展中立了大功。

回到前文打火機的原理，筆者認為大家都會有那麼一個疑問。打火機發出的電壓是20000V，為什麼我們用它去電小夥伴，小夥伴卻不會被電死，而家用的220V電就可以把人電死。這個問題的解決就要說電功率問題，根據P=ui計算公式。壓電元件的功率非常的小，而電壓又是20000V，它的電流是超級微小的，對人體是沒有傷害。

而家用220V電就不一樣了，人體觸摸上就相當于一個電阻器。通過人體的電流非常大，交流15-20mah，直流50mah或這個數值以下的電流對人體來說是相對比較安全的。而觸摸220V電，通過人體電流可以達到幾十安培，電死人也是正常。

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