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第一章 石英与压电性
压力产生电压
1880 年,雅克·居里与皮埃尔·居里兄弟发现,石英、电气石、罗谢尔盐等晶体在受压时,相对的两个面上会出现符号相反的电荷 (Curie and Curie 1880)。这种效应被称为压电性(piezoelectricity,源自希腊语「挤压」)。一年后,人们从热力学推出并证实了逆效应:对这些晶体施加电压,它们的形状会发生极微小的改变。
晶体能否具有压电性,取决于它的对称性。应力 产生的极化 写作 ,其中 是由压电系数组成的三阶张量。如果晶体有对称中心,把所有坐标反向后晶体不变,三阶张量却变号,于是 必须等于 ,也就是 (Nye 1985)。32 个晶类中有 21 个没有对称中心,其中除一个之外都允许压电性。
证据
α-石英是二氧化硅在 573 °C 以下稳定的形态,属于三方晶系 32 点群。它没有对称中心,具有压电性;主压电系数 pC/N,即沿晶体 轴每施加 1 牛顿的力,大约分离出 2.3 皮库仑的电荷 (IEEE 1988)。方解石是碳酸钙的常见形态,属于 点群,有对称中心,因此块体方解石没有压电性 (Nye 1985)。32 点群不是极性晶类,所以石英与电气石(第二章)不同,没有热释电性。
推导
沿 轴用 10 N 的力挤压一块边长 1 cm 的石英立方体,这大约相当于手里拎着 1 公斤的东西。电荷 ;立方体是一个小电容 ,所以开路电压 ,储存的能量为 。
# Squeeze a 1 cm quartz cube along its x axis (the d11 direction).
eps0 = 8.854e-12 # F/m
d11 = 2.31e-12 # C/N, α-quartz
eps_r = 4.5 # relative permittivity of quartz along x
side = 0.01 # m
F = 10.0 # N, about the weight of 1 kg held in the hand
Q = d11 * F # charge on the faces
C = eps0 * eps_r * side**2 / side
V = Q / C
E = Q**2 / (2 * C)
print(f"charge {Q * 1e12:.1f} pC, capacitance {C * 1e12:.2f} pF")
print(f"open-circuit voltage {V:.0f} V, stored energy {E * 1e9:.2f} nJ")
# The charge appears only while the force changes. Squeezing and
# releasing once a second converts at most 2 E per second.
P = 2 * E
print(f"one squeeze per second: {P * 1e9:.1f} nW, "
f"{P / 100:.0e} of a resting body's ~100 W")
# Calcite (point group -3m) is centrosymmetric: every d_ijk is zero.
print("calcite cube, same force: 0 pC")
# charge 23.1 pC, capacitance 0.40 pF
# open-circuit voltage 58 V, stored energy 0.67 nJ
# one squeeze per second: 1.3 nW, 1e-11 of a resting body's ~100 W
# calcite cube, same force: 0 pC五十八伏听起来很大,但它是一个不到半皮法的电容上的电压,储存的能量不到一纳焦。电荷只在力变化的时候出现:稳稳握住的晶体不会再产生电荷,而在手中,这点电荷很快就会通过导电的湿润皮肤中和掉。即使每秒挤压、松开一次,转换的功率也只有约一纳瓦,是人体静息功率的一千亿分之一。同样拿在手里的方解石则什么也不产生。
石英谐振器
真正让石英有用的是逆效应。在一片薄石英片的电极上加交变电压,石英片就会振动;在机械共振附近,石英片的运动会强烈地反馈到电路中。由于石英每个周期损耗的能量极少,共振极其尖锐,用它做成的振荡器一个月只差几秒。石英表里的音叉晶体每秒振动 32,768 次,即 次,连续二分频十五次就得到每秒一次的走时。
在共振附近,石英晶体的行为就像一个简单电路,即巴特沃斯–范戴克(Butterworth–Van Dyke)模型:由电阻 、电感 、电容 串联而成的「动态」支路,代表振动片的质量、刚度和损耗,再与电极电容 并联 (Van Dyke 1928)。
推导
一个典型的 10 MHz AT 切石英谐振器。串联谐振频率 ;并联谐振频率 ;品质因数 。
import math
# Butterworth–Van Dyke model of a 10 MHz AT-cut quartz resonator:
# a series R1-L1-C1 "motional" arm in parallel with the electrode capacitance C0.
R1, L1, C1, C0 = 10.0, 12.7e-3, 20e-15, 5e-12 # Ω, H, F, F (typical values)
fs = 1 / (2 * math.pi * math.sqrt(L1 * C1)) # series resonance
fp = fs * math.sqrt(1 + C1 / C0) # parallel (anti-)resonance
Q = 2 * math.pi * fs * L1 / R1
print(f"series resonance fs = {fs / 1e6:.4f} MHz")
print(f"parallel resonance fp = {fp / 1e6:.4f} MHz (fp − fs = {(fp - fs) / 1e3:.1f} kHz)")
print(f"quality factor Q = {Q:.1e}")
print(f"bandwidth fs/Q = {fs / Q:.0f} Hz")
# Ring-down: after the drive stops, the stored energy decays as exp(−2π f t / Q).
tau = Q / (math.pi * fs) # amplitude time constant
print(f"amplitude decays to 1/e in {tau * 1e3:.2f} ms ≈ {tau * fs:.0f} cycles")
# series resonance fs = 9.9863 MHz
# parallel resonance fp = 10.0062 MHz (fp − fs = 20.0 kHz)
# quality factor Q = 8.0e+04
# bandwidth fs/Q = 125 Hz
# amplitude decays to 1/e in 2.54 ms ≈ 25365 cycles品质因数达到 80,000,意味着在 10 MHz 处共振宽度只有约 125 Hz;撤去驱动后,振动还会持续约 25,000 个周期。石英谐振器的品质因数可达 到 ,所以几乎每一台时钟、电脑和手机都以它为时基。
握在手中的晶体做不到什么
这些物理知识都不支持「握着或佩戴石英会影响人体电活动」的说法。静静躺在手中的晶体并没有被驱动到共振;一块手掌大小的石头,其共振频率在几十到几百千赫,需要电极和放大器才能维持。没有变化的力,就没有压电电荷;即使有,也微小、短暂,并被皮肤短路。人体自身的电信号,例如每个神经细胞膜上约 −70 mV 的电位,或心脏在皮肤表面产生的毫伏级信号,是由新陈代谢驱动的离子泵和离子通道产生的,被动的晶体与它们之间没有任何耦合途径。
证据
没有任何对照研究显示握持或佩戴晶体有治疗效果。在一项双盲实验中(2001 年在英国心理学会的会议上报告),80 名志愿者放松五分钟,期间手握真石英晶体或玻璃仿制品;报告刺痛、温热等感觉的比例,用仿制品的和用真晶体的大致相当,并且在超自然信念问卷得分较高的参与者中更常见 (French 2021)。会议报告的证据强度不如经同行评审的论文,但也没有任何对照研究得出相反的结论。
假说 · 尚未验证
尚未确立。 握持晶体时报告的感觉来自期望和注意,而不是来自矿物本身的任何性质。该假说预测:在一项双盲测试中,参与者和递交石头的人都不知道手中是石英,还是形状、重量相同的玻璃,那么报告有感觉的比例在石英与玻璃之间没有差别。如果在一项预注册的盲法测试中,真石英稳定地比仿制品更常引起感觉报告,假说就被推翻。
注
石英珍贵、美丽,它的物理也确实非凡。这些都不需要它能治愈什么,本书也不作这样的声称。
参考文献
Fan, Y. (2026). Crystal Piezoelectricity, Iron-Nickel Meteorites and Photobiomodulation: Alpha-Quartz, Tourmaline Pyroelectricity, Widmanstätten Diffusion and Near-Infrared Cytochrome c Oxidase in Solid-State Physics and Biophotonics [晶体压电性、铁镍陨石与光生物调节] (Version 1.0.0). 5D Library. https://doi.org/10.5281/zenodo.23698498 · Licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0).