石小寧

摘 要：介紹了正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，主要分析了壓電效應(yīng)產(chǎn)生的微觀機(jī)制，討論了壓電效應(yīng)的主要應(yīng)用以及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：正壓電效應(yīng);逆壓電效應(yīng);電致伸縮效應(yīng)

電介質(zhì)被極化后會表現(xiàn)出特有的物理特性，壓電效應(yīng)便是其中一種。利用壓電效應(yīng)制成的各種電子元件和傳感器被廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)和生活的各個方面，有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)分為兩種，分別稱為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

1.1 正壓電效應(yīng)。有些電介質(zhì)，當(dāng)對它們某一特定方向施加作用力時，電介質(zhì)會發(fā)生極化現(xiàn)象。對于均勻電介質(zhì)而言，這時會在電介質(zhì)相對的兩個面上出現(xiàn)極性相反的極化電荷。撤去作用力后，電介質(zhì)的形變消失，電介質(zhì)表面的極化電荷也隨之消失。如果改變作用在電介質(zhì)上力的方向時，相應(yīng)的極化電荷的正負(fù)號也隨之改變，且電荷量與所受到的力成正比，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。

1.2 逆壓電效應(yīng)。有些電介質(zhì)，當(dāng)對它們某一特定方向加上電場的時候，電介質(zhì)會因在電場中的極化而發(fā)生形變。當(dāng)電場的極性相反時，形變也會跟著發(fā)生相反的改變。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

2 壓電效應(yīng)的微觀解釋

2.1 壓電材料 壓電效應(yīng)是電介質(zhì)由于極化而使分子形狀和分布改變所產(chǎn)生的效應(yīng)。不是所有的材料都會產(chǎn)生壓電效應(yīng)，壓電材料主要包括以下三類：第一類是用人工方法生長出的壓電單晶體，如水晶;第二類是壓電陶瓷，它是人工制造的多晶體壓電材料，如鈦酸鋇BT;第三類是壓電高聚物復(fù)合材料，它是無機(jī)壓電陶瓷和有機(jī)高分子樹脂構(gòu)成 的壓電復(fù)合材料，如壓電橡膠。從微觀結(jié)構(gòu)上來說，32種點(diǎn)群晶體中，只有其中無對稱中心的20種晶體才具有壓電效應(yīng)。

下面以石英晶體為例，說明壓電效應(yīng)的微觀機(jī)制。石英晶體的化學(xué)成分是二氧化硅，是一種原子晶體。理想的天然石英晶體是無色透明的六棱柱形狀。在晶體學(xué)中，石英晶體中有三條正交的軸線：縱向軸Z軸稱為光軸;通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸的X軸稱為電軸;與光軸和電軸垂直的Y軸稱為機(jī)械軸，它垂直于兩個相對的晶體柱面。石英晶體的每個晶胞中有3個硅離子和6個氧離子，一個硅離子和兩個氧離子交替排列。沿著光軸看去，也就是在Z平面上可以等效地認(rèn)為是正六邊形的排列結(jié)構(gòu)。根據(jù)帶電離子電荷分布的情況，可以將其等效為圖1的正六邊形結(jié)構(gòu)。圖中圈中帶“+”號代表硅離子，圈中“-”代表氧離子。相對的硅離子和兩個氧離子構(gòu)成一個電偶極子，對應(yīng)的電偶極矩分別為p1、p2和p3（圖1）。

2.2 正壓電效應(yīng)的微觀解釋 當(dāng)石英晶體沒有外力作用時，晶體中的晶格保持正六邊形不變，因此三個電偶極矩大小均相等，矢量和為零。當(dāng)晶體受到外力作用時，如沿X方向的壓力的作用，晶體會發(fā)生形變（圖2）。這種情況下，X方向上的電偶極子的距離將會縮小，根據(jù)電偶極矩的定義可知，p1將會減小，而p2和p3將會增大，所以在X方向上的電偶極矩的矢量和會大于零，所以在X軸的正方向會出現(xiàn)正電荷，對應(yīng)面會出現(xiàn)負(fù)電荷。而在Y方向和Z方向，電偶極矩的矢量之和依然為零，故不會出現(xiàn)電荷。反之，如果沿X方向受拉力的作用，則會在X軸正方向出現(xiàn)負(fù)電荷，對應(yīng)面會出現(xiàn)正電荷。這個方向的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)。

對于Y軸可以作出同樣的討論，當(dāng)Y方向受到拉力作用時，它的效果和圖2的情況是一樣的，此時X的正方向上會出現(xiàn)正電荷，而對應(yīng)面上出現(xiàn)負(fù)電荷，反之亦然。這個方向的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)。

當(dāng)作用力沿著Z軸，也就時光軸方向時，不管是拉力還是壓力，都不能改變p1、p2和p3的大小和方向，所以，沿著光軸方向的作用力不會出現(xiàn)壓電效應(yīng)。

由此可知，不管作用力是沿著X方向還是沿著Y方向，都會出現(xiàn)壓電效應(yīng)，但電荷只出現(xiàn)在X方向，即電軸方向。

2.3 逆壓電效應(yīng)的微觀解釋 當(dāng)石英晶體沿著X方向加上電場的時候，如圖3。電偶極子在電場中會受到電場力的作用，X方向上的電偶極子間的距離會縮小，所以體積會相應(yīng)的發(fā)生縮小。

電場的方向相反時，體積會增大。 同樣，當(dāng)在Y方向上加上電場后，由于電場力的作用，會改變電偶極子在Y方向上的距離，因此會改變晶體的體積。但是，在Z方向上加上電場不會改變晶體中的任何電偶極子間帶電粒子的，所以不會出現(xiàn)體積的改變。

2.4 逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng) 電介質(zhì)在電場中還有一種效應(yīng)，稱為電致伸縮效應(yīng)，它和逆壓電效應(yīng)有相似之處，但二者的物理實(shí)質(zhì)是不同的，這里需要區(qū)分一下。電介質(zhì)在電場中會發(fā)生形變，這種效應(yīng)稱為電致伸縮效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)的區(qū)別在于，首先電致伸縮效應(yīng)可以發(fā)生在一切電介質(zhì)中，而逆壓電效應(yīng)只對壓電材料才會發(fā)生。其次，逆壓電效應(yīng)中電場必須沿著特定的方向才會發(fā)生，而電致伸縮對電場的方向沒有限制。第三，在相同的電場下，電致伸縮要比逆壓電效應(yīng)弱得多。

3 壓電效應(yīng)的應(yīng)用

壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了力學(xué)量和電學(xué)量之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換，因此，由壓電材料制成的各種元器件得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1.換能器 換能器是實(shí)現(xiàn)電能和聲能之間轉(zhuǎn)換的器件，主要包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器。壓電材料在外力的作用下可以產(chǎn)生電場的正壓電效應(yīng)，可以制成如麥克風(fēng)等換能器件。當(dāng)聲波傳到壓電材料上時，會對壓電材料產(chǎn)生周期性的壓力，這樣就會以壓電材料中產(chǎn)生交變的電場，這個電信號經(jīng)過放大后就可以再以電信號的形式輸出到電子播放儀器。利用在壓電材料在電場作用下會發(fā)生變形的逆壓電效應(yīng)，可以將音頻以電信號的形式作用于壓電晶體，使之產(chǎn)生周期性的機(jī)械振動，由此發(fā)出聲音。利用這一原理可以制成耳機(jī)和揚(yáng)聲器等器件。壓電效應(yīng)中的力學(xué)變形使它在水下也不會受影響，所以可以制成水聲換能器，在軍事方面和水下探測有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)在壓電材料上加上高頻電場時，壓電材料會產(chǎn)生高頻的機(jī)械振動，這就會產(chǎn)生超聲波，這就時超聲換能器。主要應(yīng)用在材料清洗和醫(yī)學(xué)檢測方面。

3.2.壓電驅(qū)動器 壓電驅(qū)動器是利用逆壓電效應(yīng)形成機(jī)械驅(qū)動和控制能力的一類裝置。電場作用于壓電材料后會發(fā)生變形，此變形作用于從動件實(shí)現(xiàn)機(jī)械驅(qū)動或機(jī)械控制，而非傳統(tǒng)驅(qū)動器那樣需要先形成旋轉(zhuǎn)再經(jīng)轉(zhuǎn)換形成為目標(biāo)動力或運(yùn)動，因而一般具有結(jié)構(gòu)簡單、可控性好、適應(yīng)性強(qiáng)、控制精度高和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

3.3.壓電傳感器 傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量以便于進(jìn)行測量的裝置。壓電效應(yīng)由于力學(xué)量和電學(xué)量之間的聯(lián)系，因而可以制成壓電傳感器將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量進(jìn)行測量。壓電材料受力后，表面會產(chǎn)生電荷，電荷量是與所受的力成正比。因此，可以通過測量壓電材料的電場來確定所受的力的大小。這種壓力傳感器廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)測量中。還可以利用慣性力的原理制成測量加速度的傳感器等。

4 結(jié)語

壓電效應(yīng)由于其特殊的力學(xué)和電學(xué)效果，在各行各業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。一方面，新興的壓電材料不斷被制造出來，顯示出更加優(yōu)越的性能。另一方面，由壓電材料制成的各種元器件種類也越來越多，功能越來越強(qiáng)大，將會在國民生產(chǎn)和日常生活領(lǐng)域發(fā)揮更加重大的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆迎禮.壓電效應(yīng)及其應(yīng)用[J].安陽師范學(xué)院學(xué)報，2001.

[2]王矜奉，高汝偉.逆壓電效應(yīng)與電致伸縮效應(yīng)[J].物理，17（7），1994.