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壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

1880年皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發(fā)現(xiàn)電氣石具有壓電效應(yīng)。1881年，他們通過實驗驗證了逆壓電效應(yīng)，并得出了正逆壓電常數(shù)。1910年，德國物理學(xué)家沃德馬·沃伊特（英語：Woldemar Voigt）發(fā)表著作《晶體物理學(xué)教科書》（Lehrbuch der Kristallphysik，Textbook on Crystal Physics）。這本書描述了20種能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)的自然晶體，并且用張量分析來嚴(yán)格定義壓電常數(shù)。

兩種壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)圖解

正壓電效應(yīng)

當(dāng)對壓電材料施以物理壓力時，材料體內(nèi)之電偶極矩會因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料相對的表面上產(chǎn)生等量正負(fù)電荷，以保持原狀。這種由于形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。正壓電效應(yīng)實質(zhì)上是機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。

其中，P{\displaystyle P}為晶體的極化強度，單位是C/m2{\displaystyle C/{m^{2}}}， d{\displaystyle d}為壓電常數(shù)，單位是C/N{\displaystyle C/N}，σ σ -->{\displaystyle \sigma }為應(yīng)力，單位是N/m2{\displaystyle N/{m^{2}}}。

逆壓電效應(yīng)

當(dāng)在壓電材料表面施加電場（電壓），因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長。這種通過電場作用而產(chǎn)生機械形變的過程稱為“逆壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)實質(zhì)上是電能轉(zhuǎn)化為機械能的過程。

其中，S{\displaystyle S}為晶體的應(yīng)變，dt{\displaystyle d_{t}}為壓電常數(shù)，單位是m/V{\displaystyle m/V}，E{\displaystyle E}為電場強度矢量，單位是V/m{\displaystyle V/m}。

兩種壓電效應(yīng)的關(guān)系

可以證明，正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)中的系數(shù)是相等的，且具有正壓電效應(yīng)的材料必然具有逆壓電效應(yīng)。

電致伸縮

如果外界電場較強，那么壓晶體管還會出現(xiàn)電致伸縮效應(yīng)（英語：electrostriction effect），即材料應(yīng)變與外加電場強度的平方成正比的現(xiàn)象?？梢杂靡韵鹿浇o出：

其中，μ μ -->{\displaystyle \mu }為電致伸縮系數(shù)，單位是m4/C2{\displaystyle m^{4}/{C^{2}}}。

壓電材料

壓電材料會有壓電效應(yīng)是因晶格內(nèi)原子間特殊排列方式，使得材料有應(yīng)力場與電場耦合的效應(yīng)。根據(jù)材料的種類，壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷）、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料四種。根據(jù)具體的材料形態(tài)，則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類。

壓電單晶體

壓電單晶體大多數(shù)為鐵晶體管。另外還包括石英、硫化鎘、氧化鋅、氮化鋁等晶體。這些鐵電晶體包括：

含氧八面體的鐵晶體管，例如鈦酸鋇晶體、具有鈮酸鋰結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰、鈮酸鉭和具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的鈮酸鍶鋇晶體。

含有氫鍵的鐵晶體管，例如磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨、和磷酸氫鉛（及磷酸氘鉛）晶體。

含層狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍晶體等。

目前應(yīng)用最廣泛的非鐵電性的石英壓晶體管、鐵電型壓晶體管鈮酸鋰和鈮酸鉭等。

壓電多晶體（壓電陶瓷）

陶瓷的壓電性質(zhì)最早是在鈦酸鋇上發(fā)現(xiàn)的，但是由于純的鈦酸鋇陶瓷燒結(jié)難度較大，且居里點（120℃左右）、室溫附近（5℃左右）有相變發(fā)生，即使改變其摻雜特性，其壓電性仍然不高。1950年左右發(fā)明的鋯鈦酸鉛（簡稱：PZT）則是迄今為止使用最多的壓電陶瓷。

壓電聚合物

早在1940年，蘇聯(lián)就曾發(fā)現(xiàn)木材具有壓電性。之后又相繼在苧麻、絲竹、動物骨骼、皮膚、血管等組織中發(fā)現(xiàn)了壓電性。1960年發(fā)現(xiàn)了人工合成的高分子聚合物的壓電性。1969年發(fā)現(xiàn)電極化后的聚偏二氟乙烯具有較強的壓電性。具有較強壓電性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯和尼龍-11等。

壓電復(fù)合材料

壓電復(fù)合材料是有兩種或多種材料復(fù)合而成的壓電材料。常見的壓電復(fù)合材料為壓電陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活環(huán)氧樹脂）的兩相復(fù)合材料。這種復(fù)合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實現(xiàn)聲阻抗匹配。。此外，壓電復(fù)合材料還具有壓電常數(shù)高的特點。壓電復(fù)合材料在醫(yī)療、傳感、測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

ANSI-IEEE 176 (1987) Standard on Piezoelectricity

IEEE 177 (1976) Standard Definitions & Methods of Measurement for Piezoelectric Vibrators

IEC 444 (1973) Basic method for the measurement of resonance freq & equiv series resistance of quartz crystal units by zero-phase technique in a pi-network

IEC 302 (1969) Standard Definitions & Methods of Measurement for Piezoelectric Vibrators Operating over the Freq Range up to 30 MHz

相關(guān)條目

電介質(zhì)

陶瓷

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