什么是壓電效應?

有些晶體,在受到一定方向的外力的作用發生變形時,使得內部晶格間距產生變化,晶粒的正負電荷中心發生分離,形成極化現象,同時在受力的兩個表面上出現等量異向電荷。拉力產生的極化電荷與壓力產生的極化電荷相反。當去掉外力時,它又會恢復到原來不帶電的狀態,這種把機械能轉換成電能的現象,稱之壓電效應,又稱順壓電效應或者正壓電效應,另外,當施加力的方向改變時,電荷的極性也會隨之而改變。電介質受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。

什么是逆壓電效應?

顧名思義,與正壓電效應剛好相反,當我們在晶體的極化方向上施加電場時,這些晶體中的晶格在電場力的作用下內部會出現較強的內應力而發生變形,晶體在交變電場的作用下,其內應力和形變都會發生周期性的變化,從而產生機械振動。當電場消失后,晶體的變形也會隨之消失,這種把電能轉換為機械能的現象稱之為逆壓電效應,又稱電致天縮現象。

壓電效應的發現

壓電效應是在1880年由法國著名的物理學家皮埃爾·居里與雅克·保羅·居里發現的。剛開始,皮埃爾致力于焦電現象和晶體對稱性關系的研究,最后兄弟倆卻發現,在某一類電介質中施以壓力會有電性產生。他們系統的研究了施壓方向與電場強度之間的關系,以及預測某類電介質具有壓電效應。

壓電效應的主要應用

1)力敏感傳感器:可測的如力、壓力加速度等。2)振動沖擊傳感器:地震儀、機械、橋梁和建筑。3)超聲波傳感器:聲納系統。4)壓電麥克風。5)點火裝置:打火機、煤氣灶點火器、炮彈引爆。

逆壓電效應的主要應用

1)超聲波加濕器。2)超聲波清洗機。3)壓電蜂鳴器。

具有壓電效應的壓電陶瓷

如果對壓電陶瓷施加壓力,它便會產生電位差,稱之為正壓電效應。反之施加電壓,則產生機械應力,稱為逆壓電效應。如果壓力是一種高頻震動,則產生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時,則產生高頻聲信號,也就是機械震動。這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說,壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能。

利用壓電陶瓷測試壓電效應和逆壓電效應

常用的壓電陶瓷是由鋯鈦酸鉛(PZT)材料做成的。將PZT材料做成的壓電陶瓷片粘在圓形黃銅片上就構成了壓電陶瓷元件。它具有明顯的壓電效應。連接如下圖:

壓電效應實驗

首先,將壓電陶瓷片A的兩根引線通過一個按鈕開關與信號發生器S相聯。將壓電陶瓷片B的兩根引線與擴音器(帶喇叭)的輸入端相連。將A、B兩個壓電陶瓷片用黑封泥固定在同一個木板制成的箱子上。當觀察者將按鈕開關按下,接通信號發生器和壓電陶瓷A時,由于逆壓電效應,A開始振動,并把振動傳給木箱,木箱的振動傳給壓電陶瓷B,由于壓電效應,使B兩邊產生變化電信號,再傳給擴音器使喇叭發聲,所以這個實驗同時演示了壓電效應和逆壓電效應。