压电效应的原理及应用

压电效应的原理及应用
引言
压电效应最初由法国物理学家皮埃尔.居里（Pierre.Curie)和雅各布.居里(Jacob.Curie)于1880年的一次实验中发现。

压电效应是指当某些晶体受到机械力而发生拉伸或压缩时，晶体相对的两个表面会出现等量的异号电荷，这种现象就叫做压电效应，具有压电效应的晶体介质叫做压电体。

根据压电效应的物理作用效果不同，还分为正压电效应和逆压电效应。

当前，在家用电器以及谐振器件、滤波器件以及电子传感技术之中，压电效应具有广泛的应用。

目前，基于压电效应的传感器已经普及并且应用于社会生产各个方面。

因此对于压电效应以及压电材料的基础研究具有理论和实际意义。

压电学的发展已经有100多年的历史,到目前为止,国内外学者对一次压电效应进行了大量的理论与应用研究,但只有少数学者提到了二次压电效应。

近年来,应用一次压电效应理论设计的压电类传感器与执行器的应用领域越来越广阔,压电效应的基础理论研究也有了较大发展。

本文通过理论与应用等方面的分析,在晶体众多的已知效应中发现,电磁效应与压电效应具有极大的相似性与可比性,可以进行对比研究,从而为压电效应的基础理论与应用的进一步研究探索出一条新途径。

1880年法国物理学家皮埃尔.居里（Pierre.Curie)和雅各布.居里(Jacob.Curie)兄弟实验中发现:当某些晶体受到机械力而发生拉伸或压缩时,晶体相对的两个表面会出现等量的异号电荷。

科学家把这种现象叫做压电现象。

具有压电现象的介质,称之为压电体。

当前，在家用电器以及谐振器件、滤波器件等电子传感技术之中，压电效应具有广泛的应用。

目前基于压电效应的传感器已经普及并且应用于社会生产各个方面。

因此对于压电效应以及压电材料的基础研究具有理论和实际意义。

随着电子技术与材料科学方面的飞速发展，相信对于压电效应的进一步研究开发会有更多的创新，为人类带来创新科技的福音。

1.压电效应的简介
压电效应是指当某些晶体受到机械力而发生拉伸或压缩时，晶体相对的两个表面会出现等量的异号电荷，这种现象就叫做压电效应，具有压电效应的晶体介质叫做压电体。

根据压电效应的物理作用效果不同，还分为正压电效应和逆压电效应。

当前，在家用电器以及谐振器件、滤波器件等电子传感技术之中，压电效应具有广泛的应用。

目前基于压电效应的传感器已经普及并且应用于社会生产各个方面。

2.压电效应的分类
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两类。

（1）正压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去掉
后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

（2）逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，
电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致
伸缩现象。

3. 压电材料种类
（1）石英晶体:：通过人工掉拉发法制成铌酸锂大晶块，是一种单晶体,为无色或淡黄色。

时间稳定性远比晶体的压电陶瓷高,在耐高温的传感器上有广泛的应用前景。

（2）压电陶瓷：是人工制造的多晶压电材料，在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩。

各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布,由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电中性,不具有压电特性。

如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强时,所有电畴方向将趋于一致。

去掉外电场后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时才具有压电特性。

（3）钛酸钡压电陶瓷：由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成。

它的压电系数约为石英的50倍,但使用温度低最高只有70℃,温度稳定性和机械强度都不如石英。

（4）压电复合材料：由两相或多相材料复合而成，兼有压电陶瓷和聚合材料的优点,与传统的压电陶瓷或与压电单晶相比,它具有更好的柔顺性和机械加工性能,克服了易碎和不易加工成形的缺点,且密度小,声速低,易与空气、水及生物组织实现声阻抗匹配。

4.压电效应的实验设计
（1）实验原理
正压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

（2）实验装置
自制压电陶瓷实验仪、压电陶瓷点火器和声控开关
电路连接图：
（3）实验内容
①：观察逆压电效应。

把功能转换开关拨向“逆压电”一侧, 把压电陶瓷片接入逆压电一侧的插口,接通电源,此时音乐片上的集成电路便把声音电信号加在压电陶瓷片上奏响。

然后把功能转换开关拨至“正压电”一侧,音乐片在奏完一段曲子之后便停止,否则将一直奏个不停,耗尽电池。

②：观察正电压效应。

功能转换开关应处于“正压电”一侧。

具体步骤如下：
a.将压电陶瓷片的引线接入用作直流伏特计的数显多用表插口,然后注意在用手接下压电陶瓷片与松手瞬时,伏特计示数的符号与数值,试解释一下你看到的现象。

b.把压电陶瓷片接入“正压电”一侧的插口,接通电源,待LED不亮后在下列情况下观察LED 发亮情形;使电压陶瓷碰一下桌面在离压电陶瓷片500mm左右处拍一下桌面。

c.观察阀体总成,并且操作它打出明亮的火花,将阀体总成的把手朝里一按,然后往逆时针方向一拧,便可见两个尖端间出现火花,自己观察一下,两个尖端相距3~4mm时火花最明亮,也即释放的能量最大。

d.操作声控开关,一只手握住气囊,然后与另一只手相撞便可使接在声控开关上的用电器的电源接通或断开。

5. 两种压电效应的关系
正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。

即：P=dσ其中，P为晶体的电极化率，单位是C/m2,d为压电常数单位是C/N,σ为应力，单位是N/m2。

当在压电材料表面施加电场（电压），因电场作用时电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗变化，会沿电场方向伸长，如上图所示。

这种通过电场作用而产生机械形变的过程称为“逆压
电效应”。

逆压电效应实质上是电能转化为机械能的过程。

即：S=d t E。

其中，S为晶体的杨氏模量，d t为压电常数，单位是m/V，E为电场强度适量，单位是V/m。

如果外界电场较强，那么压晶体管还会出现电致伸缩效应（electrostriction effect），即材料应变与外加电场强度的平方成正比的现象。

可以用以下公式给出：S=μE2，其中，μ为电致伸缩系数，单位是m4/C2。

可以证明，正压电效应和逆压电效应中的系数是相等的，且具有正压电效应的材料必然具有逆压电效应。

6.压电效应的应用
压电效应在当今电子科学技术领域具有广泛的应用，总的来说，压电效应归属于电磁效应的一种，类似于极化效应。

在日常生活中，压电效应除了在材料领域有独树一帜的应用角色，在一些常用的器件中也作为核心部件的工作机理。

随着压电技术的不断发展，压电效应在传感器上的应用也为我们带来了更多的方便。

在日常生活中，我们把根据压电效应制作出的材料叫压电陶瓷,利用它可以制作石英谐振器,陶瓷滤波器、陷波器、鉴频器,拾音器、发声器,水声换能器,鱼群探测器,压电陶瓷变压器,陶瓷压力器,加速度计,超声波发声器等器件,还可以作为电子打火机、煤气点火栓、导弹与鱼雷爆炸时的电源。

信息工程学院电子13-2班
丁斐然
130410207。