物理效应的案例

例1:去掉钢水包中的搅拌叶片又怎么搅拌(图10－2)?

图10－2　钢水包中的机械搅拌

生产一种新型钢材，要往钢水包中的钢水里加入添加剂，由一个叶片旋转搅拌。由于钢水温度很高，会使叶片受到破坏。如何防止叶片不被破坏呢?这里，钢水和叶片是两物，它们之间通过温度场联系在一起，两物一场，构成一个完整物场。问题是这里温度很高，叶片在高温的钢水中搅拌会受到损坏。两者之间发生了一个有害作用。根据物场理论解决矛盾的一个原理，为了消除有害作用，就要引进第三种物质，以隔离有害作用，保护叶片。这第三种物质应该是原物质之一或其变种。显然这里要引进的第三种物质只能是钢水了。希望钢水在叶片的表面层形成一个保护层。显然，热的钢水不可能形成保护层。必须使叶片表面温度降低，从而使靠近叶片表面的钢水温度降低凝固，而形成一个保护层。如何使叶片表面温度降低呢?从图上可以看到，就是从中间轴通入循环冷空气，使叶片降温，从而在叶片表面形成一层凝固的钢水，将叶片与高温的钢水隔离开来。

旧的矛盾解决了，新的矛盾又产生了。于是，又要解决新的矛盾，产生新的系统。这里的叶片及其冷却系统不仅是结构复杂，而且总是处在高温的恶劣环境中，由于叶片不断冷却，凝固的钢水保护层难以控制。像这种用叶片搅拌高温钢水的方法，显然是落后的。理想的方法应该是不要叶片这种机械系统。那么，没有叶片又如何能实现搅拌呢?显然，理想的方法是在一种外力的作用下，钢水自身能产生搅拌运动，这显然是一种非机械系统。要寻找的这种方法，很可能是一种物理效应或物理现象。下面应用物理效应和现象检核表解决这个问题。

第一个过程，从具体问题到物理效应。首先确定这个问题要求实现的功能是钢水的搅拌运动;到物理效应功能表中去查找相对应的功能，是序号为9，功能代码为F9的功能“搅拌混合物，形成溶液”;再到物理效应检核表中找到这个功能下属的九个物理效应或现象;这九个物理效应或现象都可以实现搅拌，但究竟用哪一个，要根据具体问题的具体情况研究决定。这里的钢水是一种导体，根据我们的电磁知识，九个物理效应或现象中的“磁场”是有用的。交变磁场渗透到钢水中，就在钢水中产生感应电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力，从而能推动钢水运动。在物理效应检核表中找到有用的物理效应——磁场，就完成了从具体问题到物理效应的过程。

图10－3　钢水电磁搅拌器

第二个过程，从物理效应到具体方案。把物理效应的原理，转换成一个具体的方案。这里具体要做的是要有一个交变磁场，并把交变磁场渗透到钢水中去，这样一个实体就是一个电磁搅拌器，这已经有现成的产品了。根据钢水所处的状态，电磁搅拌器的结构形状有各种形式。这里介绍的电磁搅拌器，是把溶化金属的电炉就像锅一样坐在一组线圈之上。线圈与发电机线圈绕组相类似，产生的交变电磁场作用于炉中的液态金属就能产生搅拌运动(图10－3)。

于是，通过物理效应解题模式，把机械搅拌变成了电磁搅拌。

图10－4　农机试验场

例2:如何让一块场地具有不同软硬的土壤。

一农机制造厂，只有一块场地用来测试农机产品的性能(图10－4)。一次，工厂接到许多不同地区国家需要农机产品的订单。这些国家的土壤不同，测试产品的性能，就需要不同软硬的土壤。厂长说:“我们需要140种土壤不同的场地。”这显然是办不到的。现实的问题是，如何在现有的这块场地里，变换出具有多种不同软硬性质的土壤来。这是一个难题。可以用前面物场矛盾标准解解题模式解决这个问题。这个问题物场的问题模型是只有一个物，要构成一个完整物场，需要补充一物一场，这就是标准解。这一物一场究竟是什么，正是这个难题的具体解答。根据这个难题的要求，要靠这一物一场改变土壤的硬度。根据经验，这一物一场应该是一种物理效应或物理现象。下面我们再应用物理效应和现象检核表解决这个问题。首先想象一下如何改变土壤的硬度。抓起一把有一定湿度的松散土壤，稍微用手一捏，土壤成形，密度增加;再用力捏，密度进一步提高。所以，改变土壤硬度要有外力作用在土壤上，作用力越大，土壤的密度就越高，土壤的硬度就越高;反之，硬度就很低。土壤是分布的，这个力似乎是无形的、强度是可变化的，是什么东西能给土壤施加这种力呢?我们到物理效应检核表中去查找这个东西。按照解题模式，首先要确定这个难题要求的功能是改变土壤的硬度，也就是改变土壤的密度;从特殊到一般，到物理效应功能表中查找相对应的功能，找到相应的功能为“F23改变物体空间性质”;再到物理效应对应表这个功能下属的物理效应中，选择适当的物理效应。下属的物理效应一共有25个，但是，联系到能产生力、而且强度是可变化的力，那就只有“磁场”这个最适当的选择。选择到了磁场，就完成了从特殊到一般的第一个过程。第二个过程是从一般到特殊，把磁场转换成能改变土壤硬度的具体方案。磁场能对铁磁物质产生吸力，但是土壤不是铁磁物质，为了使磁场能对土壤产生力，于是就把铁磁颗粒(铁粉)拌和在土壤中，并在土壤下埋设电磁铁，给电磁铁线圈通入交流电流，使电磁铁形成磁场，磁场磁化土壤中的铁磁颗粒，使铁粉之间产生吸引力;这种吸引力的大小，就表现了土壤硬度的高低。改变电磁铁线圈中的电流，改变磁场强弱，就改变了吸引力的大小，也就是改变了土壤的硬度。磁场越强，吸引力就越大。加了磁性粉的土壤混合物，在强磁场中可以像花岗岩那样坚硬;同样的混合物在弱磁场中也会像沙子一样松软。于是，改变线圈磁场强度，就可以获得不同软硬性质的土壤。就在原来的这一块场地里，进行着不同土质的农机试验。应用物理效应，解决了这样一个难题。

例3:如何剔除香皂自动包装生产线上的空肥皂盒。

一家著名的大型日化公司引进了一条香皂自动包装生产线。发现这条生产线有个缺陷:常常会有盒子里没有装入香皂。为了将生产线上的空盒子剔除出去，请了一位学自动化的博士后设计一个方案剔除空盒子。博士后组建了以几名博士为核心，十几名硕士研究生为骨干的科研攻关小组，综合采用机械、微电子、自动化、X射线探测等技术，耗资几十万元，解决了问题。每当有空盒子通过时，X探测器就会探测到，并驱动一只机械手把空盒子推走。

这个问题如此解决，无可厚非，这是通常的做法，我们的大学里就是这样教学生的。如果用TRIZ理论解决这个问题，就大不一样了，就非常简单了。

分析这里的情景，就是要求一个把空香皂盒从自动线上移出的功能。从TRIZ理论看，这里是只有一物的一个不完整物场，这个物就是空香皂盒，要补充一个物和一个场，构成一个完整物场，完成一个功能，这个功能就是把空香皂盒移出的功能。那么要补充一个什么物什么场呢?为了得到一物一场，我们采用物理效应检核的方法。

根据这里要求实现的功能把空盒移走，到《物理效应功能表》中，查找相应的物理效应功能及其代码是“F6控制物体的位移”，然后到《物理效应检核表》中，找到代码F6功能为“控制物体的位移”一栏，下面有9个物理效应，选择了其中的物理效应“压强——液体或气体的压力”，用意是要用压力把空盒子压出去。

要把物理效应转换成具体的方案，还要结合具体情况进行联系。空盒要比装了香皂的轻得多，要用的物理效应是“压强——液体或气体的压力”，当然用气体的压力就够了，也就是用不大的气体压力，把空盒吹走。具体的实施方案:工厂一般都用空压机，用管子把压缩空气引到剔除空盒的工位，对着空盒的位置吹，如果是空盒就被吹走了，如果装了香皂就吹不走。省时省力，一根管子就解决了问题。几乎不用花钱，就把这个问题解决了。如果没有空压机，用一个小电风扇对着吹也可以。这个案例也说明了TRIZ一个很大的特点:用简单的方法解决复杂的难题。上面说的博士后，如果他懂得了TRIZ，就不会那么费时费工，花那么多钱了。画出这个移走空盒的物场模型如图10－5。

例4:如何让温室的窗户随气温开闭(图10－6)。

图10－5　吹走空盒的物场模型

图10－6　温室

农场盖了很多温室，有很多透气窗用于调整温室中的气温。室内温度在25℃以上，窗户应该打开，在15℃以下，窗户应该关闭。这项工作显然不适合由人工完成。这是一个自动控制的问题。这个问题与上面案例的问题类似。如果也请那位博士后来做，肯定也是一套更复杂的机电系统，花的钱更多。我们还是用TRIZ理论来解决这个问题。

分析这里的情景。这里是需要一个自动开关窗户的功能，所以首先要用物场分析的理论。按照物场的要求，这里都有些什么呢?当事的只有两样东西，一个是窗户，一个是室内的气温。也就是只有一物一场，是一个不完整物场。显然，要补充一个物，构成一个完整的物场，就可以实现一个功能，这个功能应该是能开关窗户，也就是说，这个物，能感受室内气温的变化而开关窗户。那么，这个物应该是一个什么东西呢?我们用《物理效应检核表》来解决这个问题。

根据这里要求实现的功能“自动开关窗户”，到《物理效应功能表》中，查找相应的物理效应功能及其代码。可以查到相应的物理效应功能是“控制物体的位移”，功能代码是F6。然后到《物理效应检核表》中，找到代码F6功能为“控制物体的位移”一栏，下面有9个物理效应，要根据具体情况进行选择。这里选择了物理效应“热双金属片”。当然，事先最好要了解“热双金属片”的属性:当温度变化时，这种金属片会变形。选择它的用意，就是要靠它的变形开关窗户。选择了物理效应，就转移到下一步，把物理效应转换成具体方案。

图10－7　双金属盘管

双金属片都是现成产品，一般受温度变化产生的变形量都不大，满足不了这里开关窗户的需要。显然，双金属片越长，其变形量就越大。所以，对于这里开关窗户用的双金属片要很长。但是，受空间限制又不能太长，这又出现了一个物理矛盾，要长又不能长。查《矛盾矩阵表》，可以选择到创新原理“状态和参数变化”、“曲面化”。这就提示改变状态和做成曲面。一般小型双金属片是把两种不同金属片粘贴在一起。这里可以改变这种状态，可以用管做成盘状，如图10－7，这就是曲面化，管中的蕊用的是另一种材料。这种双金属盘管展开就很长，所以它的变形量就很大，能够满足窗户开关的需要。具体实施方案，是把内端固定不动，外端通过杠杆与窗沿连接。盘管感受室内气温的变化而伸缩，以推动窗户的开关。物场模型如图10－8。

图10－8　开关窗户物场模型

这里我们应用了物场分析和物理效应两种创新工具。这个案例也说明了TRIZ一个很大的特点:用简单的方法解决复杂的难题。

例5:如何增大自动行走拖车的轮子摩擦力。

一种安装有切割吹管的小拖车，在大型钢板上自动行走，进行切割加工，出于切割精度的要求，拖车轮子不能有滑动，这就需要增大轮子与钢板之间的摩擦力。一般常识，增加拖车的重量，可以增大摩擦力，这是改善一方;同时，增加重量也会使体积增加，这是恶化一方。可以通过《矛盾矩阵表》找到创新原理，解决这个矛盾;也可以采用解决物理矛盾的方法解决这个矛盾。现在不用这些方法，我们用物理效应解决这个问题，同样的要求是不能使体积变大。分析这里的情景。这里是需要一个增大摩擦力的功能，查效应功能代码表，选择相应的功能及代码是“F12产生控制力，形成高的压力”。在效应检核表此功能中包含有9个物理效应。选择其中有用的物理效应就是“磁力”。这就是提示，不要增加小车的重量，在小车上装一块磁铁，让磁铁对钢板的吸引磁力，增大车轮对钢板的摩擦力。

例6:测量灯泡内的气体压力。

白炽灯泡内的气体压力，对于灯泡的质量、使用寿命影响很大。所以需要测量灯泡内的气体压力。测量灯泡内的气体压力，是比较困难的，甚至感到无从下手。不能直接测量，只能间接测量，也就是非电量的电测。于是，就要在物理效应知识库中寻找合适的物理效应。把有关的效应逐一分析，最后决定用电晕放电这个物理效应。因为电晕放电依赖灯泡内气体成分和灯丝环境中的气压。所以电晕放电适合用来测量灯泡内的气体压力。具体方法，就是在灯泡内气体压力已定的条件下，给灯泡加上高电压，当高电压达到一定数值时，灯泡内就会产生电晕放电。这个高电压的高低，就代表了灯泡内气体压力的高低。

下面再介绍几个用热膨胀效应解决问题的案例。

例7:用双金属圈做成的真正的机械自动表。

机械手表有两种，一种是用手上发条才能走的，另一种是所谓自动表，它是要戴在手上靠手的摆动上发条才能走，所以，自动表并非是真正的自动表。于是，就有人想了，能不能做出真正的自动表，放在那里不动它就能自己永远走呢?生活在美国康狄洛的菲利浦先生，既是数学家，也是工程师，花了两年半的时间研制成功这种真正的自动表，制成实物，并在2002年获得美国专利(图10－9)。放在那里不动的一只表，外界环境能给它提供什么能量呢?经过分析，最值得关注的就是环境温度变化可以产生热胀冷缩。什么东西能感受温度的变化产生热胀冷缩并把它转化为能量呢?这就是我们目前所熟知的双金属片。装在手表中的双金属圈，感受环境温度的变化，时而收缩、时而膨胀的变形能，就可以上紧发条，使手表永远走下去。

用了一个双金属片做的圈(图10－10)，感受一天中气温高低变化，来回变形，产生的弹性力通过齿轮机构上发条，驱动表针走动。和前面温室开窗的问题一样，真正的机械自动表，用了一个双金属片就解决了问题。也就是用简单的方法解决了复杂的难题。

图10－9　双金属圈自动表物场模型

图10－10　双金属圈

用双金属片做成的电路温控开关(电器产品)，得到广泛应用。小至家用热水袋、电饭锅、日光灯起辉器等，大至各种工业设备以及汽车中需要温度控制的地方，大量使用双金属片电路温控开关。这种温控开关已是成熟的系列产品，如图10－11所列。

图10－11　广泛应用的各种双金属片温控开关

下面介绍居里效应的广泛应用。

铁磁材料有一个特殊的温度点叫居里点，是由物理学家居里发现的。铁磁材料只有在这个居里点的温度之下才具有磁性，在这个温度之上就失去磁性，这叫“热磁效应”，也称“居里效应”。不同的材料具有不同的居里点。在TRIZ的物场理论中，在有关温度的技术系统中，得到广泛应用。下面用几个案例说明。

例8:电饭锅的电源自动关断。

我们使用的电饭锅电源自动关断，就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105℃的磁性材料。见下面的开关原理图(图10－12)，开始时，温度低，磁性材料有磁性，压下手动开关，克服弹簧的弹力，使永久磁铁吸住磁性材料，并带动下端的触点开关闭合，电源接通，开始加热烧饭。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100℃上升。当温度到达大约105℃时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源的开关断开，停止加热。这是一个完整物场。两物是电饭锅电路开关永久磁铁与铁磁物质，一场是温度场。其物场模型如图10－13所示。

图10－12　居里点开关原理图

图10－13　电饭锅开关物场模型

例9:电焊枪过热为何能自己关闭。

展览会上演示了一把电焊枪。当它过热的时候，能自动关闭。观众议论纷纷。有的说有温度测量装置，有的说有传感器，还有继电器。其实这些都没有，和上面的电饭锅自动关断类似，用了一个居里点温度为电焊枪过热温度的铁氧体，装在能感受过热温度的地方。一到过热温度，铁氧体就失去磁性，在弹簧力的作用下，与磁铁脱开，同时也将电源断开。

例10:如何防止高压输电线路导线结冰。

这个问题在前面物场矛盾中“一物一场”的案例中已经讲过，要补充一个物;在资源应用中也讲过。因为融化冰雪是需要能量的，能量从哪里来?首先要考虑充分利用系统的资源。系统有什么资源可以提供能量呢?当然就是导线中流动的交变电流。问题是这个电流太小，不能使导线发热。这里的问题显然是如何把这个电流加以放大，足以把导线加热。自然会想到电磁感应。具体的办法是在导线外面套上短路的线圈，由于线圈中间有导线的交流电流通过，由电磁感应在线圈中产生环流，线圈发热，就能对导线加热融化冰雪。但是，这里明显有一个问题，只有在结冰的时候才需要加热融化，而这个线圈一起都在加热，这岂不是一个很大的浪费吗?显然，这就对做线圈的材料提出要求。要求线圈只在结冰的时候才具有磁性，感应产生环流。什么时候结冰?0℃以下。这就提出了一个温度问题。也就是要求线圈在0℃以上不感生电流，在0℃以下才感生环流。这就是居里效应。如果一种材料的居里点在0℃左右，用这种材料做成线圈，套在导线外面，就能做到，在居里点0℃以上不产生感应环流。在居里点0℃以下，线圈电磁感应产生环流发热，并对导线加热。补充的这个物，这个线圈，也可以换成居里点在0℃的铁氧体套。这里应用了居里点，也就是应用了居里效应。

高压输电线路消除导线冰雪的物场模型如图10－14。

图10－14　消除导线冰雪的物场模型

日本用低居里点铁镍合金线材，包扎在结冰地区高压输电线路的导线上，形成短路线圈，防止结冰。我国自南方雪灾以后，也研制出低居里点磁性材料钢丝，用于包扎在导线上防止导线结冰。

例11:把谷物准确加热到65℃以杀灭害虫。

有一种害虫蛴螬会进入谷粒，应该在谷粒入仓之前把这种害虫消灭掉。最好的方法是把谷粒加热到正好65℃，温度误差不超过正负1℃。不然的话，就会产生损失。但是，大量谷粒加热会在某处引起过热。只给少量谷粒加热，效果就会大幅度降低。尝试了许多种给谷物加热的方法，都不奏效。成了一个难题。有什么好办法?终于应用了居里效应:用铁磁材料作为加热元件进行加热的方法。下面介绍加热原理。

用铁磁材料作加热元件，将它和被加热物——谷物和害虫混合在一起置于高频电磁场中，高频电源产生高频电磁场，由于电磁感应，在铁磁材料中立即产生磁滞涡流而发热升温，被加热物也一起被加热，达到铁磁材料居里点温度，铁磁材料成为非导体，电磁感应消失，加热停止。如果铁磁材料居里点是65℃，温度就保持在65℃，以杀灭害虫。一旦温度降低，又恢复加热，如此循环。

图10－15　感应电流加热杀虫物场模型

这里用铁磁材料作为加热元件，同时也是将加热温度控制在65℃的控温元件。用物场分析的方法，这里的加热问题，就是一个两物一场的物场问题。这里只有一物，就是害虫蛴螬，再加上一物，就是居里点为65℃的铁磁材料——铁粉，也就是把铁粉和害虫(当然也包括了谷物)混在一起，构成了两物，再加一个场——高频电磁场。就成为一个完整物场(图10－15)。在高频电磁场的作用下，产生电磁感应，铁粉产生磁滞涡流而发热升温，同时也使害虫发热升温。达到居里点温度65℃时，失去磁性，电磁感应消失，不再升温，温度保持在65℃。此时的害虫、谷物也都处于65℃，害虫被消灭。切断高频电源，铁粉恢复磁性。再用滤磁器把铁粉从谷物中取出。

加热，并有严格温度控制，用铁磁材料作为加热元件，并同时作为温控元件，应用了居里效应，是一个较好的方法。铁磁材料加热还能用到哪里去?

有一种高频加热裂解仪，具体的结构，是将铁磁材料做成丝状(5mm×10cm)装在石英管中，被加热的样品也装在管中，管外套一螺旋管线圈，以在管中形成电磁场。加高频电源产生高频电磁场(450～550千库)，由于电磁感应，管中铁磁材料立即产生磁滞涡流而发热升温，达到居里点温度时，也就是样品的列解温度，样品迅速裂解成为气相样品。有一股惰性气体从石英管上端吹入，将气相样品带进气相层析仪的进气口，对样品进行物质成分分析。在居里点温度时，铁磁性变为顺磁性，失去磁性，电磁感应消失，加热停止，温度保持在居里点。当切断高频电源后温度下降，铁磁性随即恢复。铁磁物质在电磁场中升温很快，与电磁场强度有关，一般1秒以下就能达到居里点，这是一个特点。不是慢慢升温，这对于分析质量是很重要的。

下面介绍形状记忆效应(记忆合金)的广泛应用。

形状记忆效应的应用:一般金属材料受到外力作用产生了塑性变形，压力消除后，就会留下永久变形。但有些合金材料，产生塑性变形以后，经过一个热过程，又能恢复到变形前的形状。这种现象叫做形状记忆效应。具有这种形状记忆效应的合金，称为记忆合金。一般是在较高的温度下把记忆合金做成需要的形状，在较低的温度下使其变形缩小，然后，在原来较高的温度下，恢复原形。下面列举形状记忆合金的应用案例。

例12:如何把直径几米大的天线送上月球。

1969年宇航员登上月球，放置了一个直径数米的半球形天线。这么大的天线，是如何送上月球的呢?就是应用了形状记忆合金。天线用极薄的记忆合金先在地面正常情况下按预定要求做好，然后降温把它压成一团，把体积缩小到原来的千分之一，装进登月舱带上月球。放到月面上以后，在阳光下温度升高，达到记忆温度时，天线恢复成巨大的半球形。同样卫星的太阳能板也采用记忆合金制成上天后自动展开(图10－16)。

图10－15　天线先折叠后自动展开

记忆合金效应在医疗领域广泛应用。

例13:用记忆合金接骨(图10－17)。

例14:用记忆合金扩张气管、扩张心血管。

记忆合金支架放入喉气管狭窄部位迅速扩张，明显地改善呼吸困难。当心血管堵塞，由血管送入血管支架到堵塞处，支架扩张，使血管畅通(图10－18、图10－19)。

图10－17　记忆合金接骨板

图10－18　扩张心血管支架

图10－19　记忆合金气管支架

例15:用记忆合金封堵心脏房间隔缺损(图10－20)。

记忆合金心脏房间隔缺损封堵器，双头，收成一条线。通过血管进入心脏房间隔缺损位置再张开，如图10－21。

图10－20　用记忆合金封堵心脏房间隔缺损

图10－21　记忆合金封堵器

下面介绍静电吸附效应的应用。

例16:静电喷漆。

如图10－22。喷小件，中心有一旋转喷漆杯，接负高压(60～120千伏)，周围工件接正高压，于是在喷杯与工件之间形成一个高压电场。由于喷杯高速旋转，喷出的油漆被雾化。雾粒子都带负电而相互排斥散开。

同时在电场力的作用下，雾粒子向带正高压的工件飞去，被吸附在工件表面形成油漆层(图10－23)。与人工喷漆相比具有效率高，浪费少，质量好，有利于工人健康等优点。

手动静电喷涂(图10－24)与静电喷漆的原理是一样的。有高压发生器、手持喷枪。可喷室外设施如护栏等。

图10－22　静电喷漆

图10－23　静电喷漆物场模型

图10－24　手动静电喷涂

例17:高压静电除尘:如图10－25。将含尘埃的烟气引进除尘器。

除尘器外层金属管A接高压电源的正极，内含金属丝B接负极，B附近的空气分子被强电场电离为电子和正离子，正离子被吸到B上得到电子又成为分子，而电子在向正极A运动过程中，遇上烟气中的煤粉，使煤粉带负电，被吸附到正极A，最后在重力作用下落入下面漏斗。除尘也就是过滤，让灰尘留下，不要飞出污染环境。

例18:静电植绒(图10－26)。

图10－25　高压静电除尘器

图10－26　静电植绒自动生产线

与静电喷漆同理，只是喷出的不是油漆而是绒毛。喷头式植绒:植绒机产生的数万伏高压静电，负极接喷头，喷头中的绒毛带上负电荷，然后在被植物体表面喷涂上胶粘剂，被植物处于正极一端。移动喷头靠近被植绒物体，绒毛在高压电场的作用下从喷头中飞升到被植绒物体表面，呈垂直状植在涂有胶粘剂的物体表面上。

例19:静电复印机(图10－27)。

静电复印机是利用静电正、负电荷能互相吸引的原理制成的。首先通过光学系统把原件复制到硒鼓上，形成一个与原件对应的静电图像。墨粉末被吸附在静电图像上，再转印到复印纸上，成为文字图画的复印品。

例20:静电贴(图10－28)。

由静电膜加工而来的一种装饰性贴纸。特点:防水，耐温，可重复使用。图案独立，不用剪裁，即揭即贴，可反复使用。两面图案透明，且两面都能贴。其贴面没有胶水及其他任何粘贴用剂，是利用静电原理吸附于光滑表面。撕下后不会在被贴表面留下任何痕迹。还可以再贴上去，粘性不减，现在大多数的家电厂家都采用这种材料取代不干胶标贴。主要贴在电器和机电产品上，其特点是环保卫生，这是不干胶标贴的发展。

下面介绍磁场磁力效应的应用。

例21:用铁磁物场代替机械物场。

为了清除燃气中的非磁性尘埃，常使用多层金属网的过滤器。这种过滤器能挡住尘埃，但很难清理。把过滤网换成铁磁颗粒，把气流场换成磁场，在磁场作用下，铁磁颗粒之间形成很小的间隙，起过滤作用。要清理时，关闭磁场，空隙变大，便于清理。

这是用铁磁物质和磁场完全取代了原来的机械物场。成为磁过滤器，如图10－29所示。

图10－27　静电复印机

图10－28　汽车静电贴

图10－29　磁过滤器的原理与结构

例22:如何把防水果碰撞的小球取出来。

在生产线上水果装箱，是让水果沿斜槽滚下落入箱中。为了防止碰撞，箱中装有一些小球，如乒乓球。由于箱体处于振动状态，小球始终浮于面上。问题是，装好水果以后，如何自动把小球取出来呢?这里只有一个物——小球。补物补场，在小球里面装点铁磁材料，然后在水果箱上用一磁铁或电磁铁吸盘一吸，就把小球都吸出来了(图10－30)。

例23:火柴的装盒问题。

火柴厂购置新设备使产量翻番。原有装盒设备满足不了要求，而且原有设备把无头火柴也装了进去，不能保证质量。如何准确快速地把火柴装进火柴盒，是一个问题。如何准确把火柴抓起，这里应用了物场概念。本来只有一个物——火柴，再补一个物，补一个场，就成为一个完整物场。补的物是往火柴头材料中添加的磁粉，这样，火柴头就是有磁性的。补的场是磁场——磁铁，用磁铁去吸引火柴，于是，把火柴头吸到了磁铁上，把火柴定向，乃至定量，这就为把火柴装进盒子创造了条件。

这是一个利用了铁磁物质和磁场构成完整物场的例子。

例24:把树皮捡出来。

把不成材的弯曲树干树枝劈成碎片制造纸浆，但树皮也混在其中。如何把树皮清理出来?事先给树干的树皮上喷洒铁粉。劈成碎片后，再通过磁场把树皮捡出来。

例25:谷物中伴有许多杂草，如何将杂草分捡出来?

这个问题同上面的一样。这里只有一个物——杂草，研究的对象就是杂草，而不是谷物。构建一个能把杂草捡出的完整物场。把铁粉渗到谷物里，然后用带有电磁铁的滚筒筛选。夹杂在杂草表面茸毛中的铁粉将与杂草一起被捡了出来。

例26:塑料刷毛的成形。

制造带刷毛的塑料块，传统工艺是使用一种模子。模子是一个附有一套针形突起的金属块。生产时，模子浸入熔化的塑料中再拉起，带动附在针上的塑料从塑料液中拉出，形成刷毛的形状。刷毛长度达到要求后，用冷气冷却塑料，再从针的末端把塑料剪下。这一工艺的缺点是有部分塑料粘在针上，要频繁清洗，还不好清理。如何解决这个问题?

缺点是要清洗针，如果没有针就不用清洗了。就要这么想。也就是不用针去拉出塑料，而用无形的针去拉出塑料。显然，这就用得上铁磁颗粒和磁铁磁场。这里有溶化的塑料一个物，再补充一物——铁磁颗粒，就是把铁磁颗粒混在溶化的塑料中，再用一磁铁的磁场对着溶化的塑料拉出刷毛。这就构成一个两物一场的完整物场(图10－31)。显然，在溶化的塑料与磁铁之间要有一块带有很多孔眼的薄的模板起隔离作用，刷毛只能通过这些孔眼被拉出来。

图10－30　取小球物场模型

图10－31　拉刷毛的物场模型

很多应用磁场的例子，都是把磁场与铁磁材料结合在一起使用，也就是让磁场作用于铁磁材料如颗粒、铁粉之类而发挥作用。

图10－32　磁悬浮列车

例27:磁悬浮列车(图10－32)。

磁悬浮列车，就是应用了磁铁异性相斥的效应，使列车悬浮在导轨之上。不接触，没有摩擦力。

下面介绍压电效应的应用。

什么是压电效应?由一种晶体按照一定要求做成片状材料，给晶片施加压力，在晶体两面上就会出现正负电荷。压力消失，电荷也随之消失。这就是压电晶体的压电效应。是把机械能变成电能，也称之为正压电效应。因为压电晶体还有另外一种效应:给晶片的两面上施加电场，晶片会产生机械变形。电场消失，变形也随之消失，称之为电致伸缩效应，也称之为逆压电效应。如果施加的是高频电场，那么晶片就会产生高频振动，发出超声波。所以，压电晶体是产生超声波的常用材料。常用的超声波传感器、超声波探头，都是用压电晶体制造的。当然，超声波只是压电晶体逆效应应用的一个特例。其实，压电晶体逆效应也就是电致伸缩效应，还有很多其他的用途。

压电晶体能把机械能变成电能，反过来，又可把电能变成机械能，压电晶体是一种换能器。如果作用在晶体上的压力是一种振动，则晶体输出的就是交变电压;反过来，如果是高频电信号加在压电晶体上，则晶体产生高频机械振动，也就是产生超声波。压电晶体得到广泛应用，正是基于压电晶体正压电效应、逆压电效应这正反两方面的功能。

压电晶体有天然的石英晶体和人造的压电陶瓷。由于压电晶体本身能产生电荷，无需外加电源，结构简单，所以，压电晶体作为压电传感器得到广泛应用。除了超声波的应用之外，人们在凡是产生力的地方，都试图应用压电晶体简单地解决问题。即使在没有力出现的地方，也试图应用压电晶体的变换，解决难题，如用压电晶体制造的生物传感器，它是将生物浓度转换为频率信号进行检测的仪器。压电晶体主要在两个方面得到应用。一方面是利用正压电效应，做成各种压电传感器，应用在各种检测、控制之中，另一方面是利用逆压电效应，产生超声波，也是应用在各种检测与控制之中。下面列举一些应用压电效应和电致伸缩效应的例子。作为电致伸缩的特例超声波成为一门专门的学问。

图10－33　压电唱头电唱机

例28:电唱机的唱头(图10－33)。

电唱机最早用的唱头是动圈式唱头。这种动圈式唱头是在针杆的后方绕上线圈，通过针杆的振动带动线圈在磁铁磁场中振动，并由线圈输出音频电流。显然这种结构比较复杂。后来在唱针的后面连着一小条压电陶瓷片，代替了线圈、磁铁复杂的系统，使结构大大简化。唱针在唱片的沟纹中摆动，带动压电陶瓷片受力弯曲产生电荷，经过放大，带动喇叭发出声音。这就是应用物理效应的效果。这是压电效应的首次应用。

例29:压电陶瓷打火机。

以前的打火机(图10－34)用火石打火，火石磨完了换火石。后来用压电陶瓷片代替火石。压下打火机，撞击压电陶瓷产生电荷，由两面引线形成的电极之间产生3000伏的高压，跳出火花点燃气体。这是可连续打火几万次的气体电子打火机(图10－35)。

图10－34　火石打火机

图10－35　压电打火机

例30:煤气灶天然气灶点火(图10－36)。

煤气灶如何点火?以前也是和打火机一样，用手枪式的火石枪，对准灶头开一枪，点燃燃气。后来也是用压电陶瓷片代替了火石。直接将压电陶瓷片装在燃气灶的开关上。先将开关压进，把气阀打开进气，再将开关左转，听见一响，就是对压电陶瓷的撞击，在两面引线形成的电极间产生高压跳火，点燃燃气。

例31:压电晶体话筒(图10－37)。

图10－36　燃气灶压电点火

图10－37　压电晶体话筒

对着话筒说话，声波传到压电晶片上形成压力，产生电荷，信号经过放大器放大，由扬声器传出声音。

例32:电子血压计(图10－38)。

电子血压计中一个密封膜盒装有压电式压力传感器。膜盒与袖带由管子连通。给袖带打气，膜盒中也同样产生压力，压电片受压产生电荷，经放大、转换、数显压力的数值。

图10－38　血压计的压电传感器

例33:电话机的发话和听声都应用了压电晶体。

电话机手柄一头发话端装的压电晶体是正压电效应，把声音变成电信号，传到对方去;另一头受话端装的压电晶体是逆压电效应，把对方来电变成声音(图10－39)。

例34:压电耳机(图10－40)。

压电耳机是应用逆压电效应——电致伸缩效应。音频信号的电信号加到压电陶瓷片的两面上，引起压电陶瓷片振动，还原声音。

图10－39　电话机手柄中的压电片

图10－40　压电陶瓷耳机

例35:以色列压电发电公路(图10－41)。

公路利用压电晶体发电的关键是在公路的沥青下嵌入了压电晶体。当汽车驶过时，汽车的压力会使压电晶体产生少量电量。如果几千个压电晶体被嵌入公路下面，便可产生巨大的电量。研究人员分析后发现，每小时有600辆汽车通过的公路发电效果最好。这种“发电公路”每小时大约可产生500千瓦电量，仅1公里长的公路产生的电量就可供800户家庭使用。

铁路甚至飞机跑道、步行街和歌舞厅等人流众多的地方，也可以利用这种技术发电。

例36:舞厅跳舞发电(图10－42)。

全球首家生态夜总会伦敦夜总会跳舞发电。该夜总会在建造时不仅安装了利用风能和太阳能的设备，更有趣的是，仅靠来宾跳舞就能解决夜总会高达6成的电力需求，就是跳舞踩踏压电晶体发电。

例37:穿着衣服走路都能发电(图10－43)。

图10－41　公路的压电路面

图10－42　舞厅脚下压电发电

图10－43　压电晶体发电衣

图10－44　爆震传感器外观与内部结构压电晶体片

这种发电衣，最大的特色便是在关节及腰部织入许多压电布料。不论外头是晴天雨天，只要穿着者走动、运动，或是在舞池中尽情跳舞时弯曲到这些地方，扭曲的应力便会转化成电能储存在衣服的蓄电池内，晚些时候就可以用来给iPod或其他随身的电器充电。

例38:发动机压电式爆震传感器(图10－44)。

汽车发动机上安装有压电式爆震传感器。当发动机发生爆震时，爆震传感器中的压电陶瓷片受到振动而传出爆震电信号。

例39:压电陶瓷驱动的微进给补偿刀架(图10－45)。

图10－45　车刀压电微进给补偿刀架

车削加工中，车刀由于径向切削力的作用产生微小退让而离开正确位置，于是产生尺寸变大误差。为了补偿加工误差，车刀微小退让量由电阻应变片测出，并转换成一个相应的电压，把这个电压加到车刀后面的压电陶瓷片上，由于电致伸缩效应，压电陶瓷片变厚，推动车刀前进，补偿退让的尺寸，提高加工精度。这里是电能变机械能——电致伸缩效应。

例40:压电陶瓷扬声器与压电陶瓷蜂鸣器(图10－46)。

图10－46　压电扬声器蜂鸣器

属于电声器材，应用了电致伸缩效应，通电便响。广泛应用和配套于电子钟表、汽车喇叭、音响、通讯、遥感、计算器、电子玩具等产品中，产生音响效果——电致伸缩效应。

压电陶瓷扬声器是把压电陶瓷片与纸盆连在一起。压电式有源蜂鸣器可以有连续声、音乐声、报警声等。

例41:超声波加湿器(图10－47)。

超声波加湿器的水中固定有一块压电陶瓷片，给压电陶瓷片通高频电压产生超声波振动，将水雾化，用一小风扇将雾气从孔中吹出，增加房间湿度。

例42:用压电传感器测量金属零件表面粗糙度(图10－48)。

图10－47　超声波加湿器

图10－48　测量表面粗糙度

如图10－48，测针在粗糙表面移动，由于表面起伏不平而上下运动。压电晶体也随之变形，晶体表面产生电荷，由引线输出与测针上下运动成正比的电信号，放大显示粗糙程度。

例43:压电陶瓷变压器(图10－49)。

图10－49　片式压电陶瓷变压器

电子元件电阻、电容、电感已经片式化，唯独变压器片式化比较困难。

现在采用压电陶瓷材料制成的多层压电陶瓷变压器，利用压电陶瓷具有的电－机－电的能量转换机理，改变了传统的绕线变压器所采用的电－磁－电能量转换机理，电能与机械能可以设置在同一平面上进行转换，因而可以实现变压器的片型化，使国际上电子元器件行业所关注的变压器片式化问题得到解决。

压电陶瓷变压器是利用陶瓷材料具有机械能与电能间能量转换特性而制成，其基本原理是利用输入电压的激发使压电陶瓷片处在共振状态，再由输出端电极利用正压电效应将高应变产生的机械能换成电能而达到变压的效果。

若将逆压电效应与正压电效应组合起来，在压电陶瓷的一部分上施加一个正弦交变电场，使瓷体产生机械简谐振动。若交变频率与瓷体的固有谐振频率相同，则瓷体产生机械共振，达到最大的振幅，产生了应力与应变，当这个机械共振的纵驻波传导至压电陶瓷的另一部分时，因应力波的作用，在瓷体上由正压电效应产生一相应频率的电荷输出，压电陶瓷变压器就是根据这个原理制成的。

压电变压器有工作在超音频范围的升压压电变压器，也有工作频率为工频的降压压电变压器。与传统的铁芯绕线电磁变压器相比，具有体积小、重量轻、使用时不会击穿、变压器本身耐高温不会燃烧、不引起电磁干扰，且结构简单，制作工艺简便，易大批生产等优点，和普通电磁变压器一样，压电变压器具有电压变换，阻抗变换和电流变换等特性。

片型化多层压电陶瓷变压器的应用领域:

A.液晶显示屏背光电源(或称逆变器)。

由于液晶显示是一种被动发光型器件(即本身不发光，实现显示是依靠调制外界光)，不带背景光源的液晶显示屏是通过反射或投射环境光束来显示。多层式压电陶瓷变压器作为背景灯光电源能完全具备技术要求。

现在作液晶显示屏背光逆变器应用的片型化多层(独石)压电陶瓷变压器已形成系列化规模化生产，从0.5瓦到5.0瓦的不同规格变压器已能满足从2吋屏到14.1吋屏的各种规格液晶显示屏的要求，主要应用于第三代手机(大屏彩显)、笔记本电脑、便携式DVD、个人掌上电脑、军事上的行军路标地图、彩显便携游戏机等。对15吋到19吋台式液晶显示屏要求的双灯及多灯背光逆变器，采用5瓦到15瓦的大功率压电陶瓷变压器已能够达到样件及小批量生产。

B.低电流高压电源领域的应用。

主要是空气清净机及空调附属空气清净机用高压电源，由于空气污染严重的影响，对此产品的需求越来越大，对复印机和传真机用低、中输出高压电源，原来用电磁式绕线变压器，由于片型化多层式压电陶瓷变压器的高效率、小型化、无电磁干扰等优点，将逐步在此领域得到广泛应用。

C.低变比压电陶瓷变压器的应用。

低变比压电陶瓷变压器可以实现电源类产品薄型化，它利用压电陶瓷材料的特性使高压变为低压，即从市电(220伏)变到12伏、7.2伏、3.6伏等不同电子信息产品要求的电压范围。对于内置式电源可以作到10毫米以下的厚度，可以上印刷电路板，对于便携式电源可以做到卡式电源，厚度小于10毫米。压电陶瓷变压器自身具有产生恒流充电的特性，特别适合对笔记本电脑、手机等便携机产品的锂离子电池充电。

片型化多层(独石)压电陶瓷变压器改变了传统绕线变压器的工作原理，以它的优势将广泛应用于笔记本电脑、手机、PDA、便携式DVD等信息产品中。

例44:新型柴油喷射系统用压电元件直接驱动针阀。

新型喷油器的最大特点在于，通过采用以压电致动器直接驱动针阀的原理，使喷油器的响应速度比原产品大为提高。这样，在相同时间内便可喷射更多的燃料，所以还有助于提高发动机的功率。

例45:压电式测力传感器(图10－50)。

主要用于机床动态切削力的测量。外力作用在盖板上，通过弹性变形将力传递到压电晶体上，产生的电荷，由引线输出到放大器放大，再进行记录、处理。

例46:悬臂梁式压电加速度传感器(图10－51)。

图10－50　压电式测力传感器

图10－51　悬臂梁式压电加速度传感器

将底座固定在被测试的对象上。质量块感受振动的惯性力作加速运动，压电片弯曲受力而在两面产生的电荷，反映了振动体的加速度信息，经过电荷放大器放大，进行记录或进一步处理。把振动加速度信号经过一次积分，就成为振动速度信号，再经过一次积分，就成为振动位移信号。由于这种传感器响应速度慢，但结构简单，只用于测量低频振动，如地壳、建筑物等。下面的一种加速度传感器响应速度快，可用于高频振动测量。

例47:压缩型压电加速度传感器(图10－52)。

基座连接在振动体上。片弹簧将质量块压在压电晶体上。振动时，由于惯性，质量块有一个与加速度成正比的交变力作用在压电晶体上。在其两面产生电荷。由引线输出。输出信号与作用力成正比，即与加速度成正比。从而可以测出加速度。

例48:压电地震仪(图10－53)。

压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。

用它来制作压电地震仪，也就是用压电传感器，感受地震波，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

图10－52　压缩型压电加速度传感器

图10－53　压电地震仪

例49:压电陀螺(图10－54)。

在航天领域，压电陶瓷制作的压电陀螺，是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。依靠“舵”，航天器和人造卫星，才能保证其既定的方位和航线。传统的机械陀螺，寿命短，精度差，灵敏度也低，不能很好满足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高，可靠性好。

下面介绍压电电缆传感器的应用。

把压电传感器做成长长的、柔软的同轴电缆的形式，大大扩展了压电传感器的应用范围。由于石英晶体和压电陶瓷很脆，不可能做成电缆的形式，所以这里压电电缆用的是高分子压电材料。同轴压电电缆中心芯线的外层，包的就是高分子压电材料。芯线是压电材料的一个电极。在压电材料外层包的一层网套，是压材料的另一个电极。和片式压电传感器不同，这种电缆式压电传感器没有方向性。无论在哪个方向受到压力或拉伸，在两电极之间就会产生电压。所以，这种电缆式压电传感器可以灵活运用，不必考虑方向问题。当前，压电电缆传感器(图10－55)主要用于下面这些领域。应用于公路路面，以获得在上面通过车辆的各种信息;应用于医疗生命特征监测;区域防护、监控。即将压电电缆围成一个范围，如放置在围墙上，或浅埋地下或沙滩下，可以监测人的脚步声。下面举一个用于公路的检测案例。

图10－54　航模压电陀螺

图10－55　同轴高分子电缆压电传感器

图10－56　压电电缆车辆检测系统

例50:压电电缆埋设路面获取车辆信息(图10－56)。

如图所示，垂直于路面，相隔2米远，在路面下5厘米处，平行埋设两条压电电缆。电缆的电极连接到测试仪或计算机上。当一辆车驶过以后，从传感器的输出，可以获得车辆如下的信息:轴数、轴距、车速、载重、判断车型，判断是否超重，如果是闯红灯，立即进行拍照，等等。

传感器输出的信号有前后轮通过传感器的两个脉冲，两脉冲之间的距离就是时间。距离是2米，除以这个时间就是车辆的速度了。一切数据都可以由计算机自动运行。

正是由于有了压电效应，一压就出电，从而使许多复杂的难题，得以简单地解决。下面最后介绍一个压电生物传感器，用的是电致伸缩效应，用于医疗微生物检测和食品有害物质的检测，其重要意义可想而知，而且方法简单。

例51:压电生物传感器。

如何检测出病毒?如爱滋病毒。如何检测出食物中的有害物质?如蔬菜中的残留农药。要建立这样的检测系统，显然就是一个创新，其实，都是建立了一个个两物一场的完整物场。这是微量测量。首先要确定一点，这里要采用间接测量。下面我们对这个项目进行创新思维。基本的，要看看有哪些创新原理可以参考。从40创新原理表中，可参考应用如下几个创新原理:中介物、组合、状态和参数变化。首先选取一个中介物，因为这里的研究对象是生物，所以，这个中介物，应该是与被测对象能发生反应而形成复合物的生物活性物质，如酶、抗原、抗体等生物识别物质。将这个中介物结合在一个检测系统中，并测量一个特征参数作为基数;如果我们选择压电晶体振荡器作为检测系统，就把这个中介物——生物活性物质在压电晶体的两极面上涂上薄薄一层。按照下面的检测系统框图，由交变电压激振电路给压电晶体提供电源，使压电晶体振动起来，并由频率计数器记下谐振频率F1，这就是一个特征参数，是一个检测的基数。然后将涂有生物活性物质的压电传感器(探头)，放入制备好的被检测物的气体或液体标本中，让生物活性物质与被检测物发生反应，形成复合物。这样整个压电晶体的质量又增加了被检测物，它的谐振频率会降低一些。再测量一次压电晶体的谐振频率为F2，这就是由于增加了被检测物的质量ΔM，而产生了频率差ΔF=F1－F2。这样在检测中就建立了被检测物与频率变化的关系。德国人Sauerbrey在1959年推出压电晶体表面有附着物而使谐振频率改变两者之间的关系式如下:

频率差是可以检测出来的，因而被检测物可以通过上式计算出来。下面就是压电生物传感器检测系统(图10－57)。再对检测方法作一简单的概括:把生物活性物质在压电晶体上涂上薄薄一层，检测一次晶体的谐振频率F1;把晶体放入被检测物的液体标本中，使生物活性物质与被检物发生反应形成复合物，再检测一次晶体的谐振频率F2，有了这两个谐振频率，由计算机处理并打印出结果——被检测物的质量。可见，用压电生物传感器(图10－58)进行生物检测多么简单，就是应用了压电晶体的电致伸缩效应，利用了压电晶体的谐振频率。当然还要有能与被检物标本发生反应的生物活性物质。如今压电生物传感器得到广泛应用，重点在医疗卫生方面，在环境监测、食品生产、农药残留，乃至军事战地，用压电生物传感器进行生物检测，应用广泛。这也是物理效应用简单的方法，解决复杂难题的一个典范。下面列举一个用压电生物传感器进行爱滋病毒检测的案例。

图10－57　压电生物传感器检测系统

图10－58　压电生物传感器压电探头

艾滋病毒的检测——建立两物一场的完整物场:

将HIV人工合成肽这种生物活性物质，在石英晶体电极表面涂上薄薄一层。检测一次晶体谐振频率F1。将晶体探头放入体液标本中，如果标本中含有HIV抗体，则会与肽链发生反应形成复合物，使晶体电极表面质量增加，谐振频率会降低，再检测一次晶体谐振频率F2。由计算机打印结果。如果标本中没有HIV抗体，就没有反应，不会形成复合物，谐振频率就不会改变，就表明没有爱滋病。