电磁学小论文压电效应

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1、姓名唐诚学号PB09206058压电效应相信大家都熟悉我们身边的打火机以及燃气灶吧，为何只需我们轻轻一按，或者旋动开关便有火焰产生，这些都离不开压电效应。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，同时在它的与形变方向垂直的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，这种没有外电场存在时，仅有形变而引起计划的现象称为正压电效应。当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。逆压电效应：与压电效应相对应的是逆压电效应当

2、在晶体两面上加电场时，晶体会发生机械性变，即伸长或缩短。其原理主要是由于：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。背景：压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象，此现象最早是1880年由皮埃尔·居里(PierreCurie)和雅克·居里（JacquesCurie）兄弟发现。1880年前在杰克斯的实验室发现了压电性。起先，皮尔致力于焦电现象（pyroelectriceffect，注二）与晶体对称性关系的研究，后来兄弟俩却发现，在某一类晶体中施以压力会有电性产生。他们又系统的研究了施压方

3、向与电场强度间的关系，及预测某类晶体具有压电效应。经他们实验而发现，具有压电性的材料有：闪锌矿（zincblende）、钠氯酸盐（sodiumchlorate）、电气石（tourmaline）、石英（quartz）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、异极矿（calamine）、黄晶（topaz）及若歇尔盐（Rochellesalt）。这些晶体都具有非晶方性（anisotropic）结构，晶方性（isotropic）材料是不会产生压电性的。而压电现象理论最早

4、是李普曼（Lippmann）在研究热力学原理时就已发现，后来在同一年，居里兄弟做实验证明了这个理论，且建立了压电性与晶体结构的关系。1894年，福克特（W.Voigt）更严谨地定出晶体结构与压电性的关系，他发现32种晶类（class）可能具有压电效应（32类中不具有对称中心的有21种，其中一种压电常数为零，其余20种都具有压电效应）。压电效应原理：压电晶体有天然的，也有人工培育的。压电晶体具有一般晶体的特点，即它的外形室友一定规则的多面体构成，有晶面与晶棱。在非晶方性晶体中，施一外力使晶体变形，则由于晶格中电荷的

5、移动造成晶体内局部性不均匀电荷分布，而产生一电位移。电荷的位移是由于晶体内部所有离子的移动，或者因为原子轨道上电子分布的变形而引起离子偏极化所造成，这些电荷位移现象在所有材料中都存在，可是要具有压电效应，则必须能在材料每单位体积中造成有效地净的电双极矩变化。是否能有这种变化，端视晶格结构之对称性而定。可以这样简单理解：压力改变了材料的体积和内部极化相关的D，导致材料两端的电荷的释放和吸收，有了压电性。例如：石英晶体，在每个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，在垂直于轴的平面上的投影，等效为一个正六边形排列，如图

6、6.1.5所示。“+”表示，“－”表示。（a）（b）（c）图1石英晶体压电效应示意图当不受外力时，正负六个离子（和）分布在正六边形的六个顶点上，形成三个120°夹角的电偶极矩。此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即晶体表面不带电荷，呈电中性。如图1（a）所示。当受到沿方向的压力作用时，晶体受压缩而产生形变，正负离子相对位置发生改变，此时键角也随之改变，电偶极矩减小，、增大，因此在方向上的电偶极矩不为零，，在轴正向的晶体表面上出现正电荷，反向表面出现负电荷。电偶极矩在轴方向上的分量都为零，因此无电荷出现。

7、如图1（b）所示。当受到沿轴方向的压力时，增大，、减小，因此在方向上的电偶极矩不为零，，在轴正向的晶体表面上出现负电荷，反向表面出现正电荷。电偶极矩在轴方向上的分量都为零，因此无电荷出现。如图1（c）所示。如果受到沿轴方向的作用力，晶体中的硅离子和氧离子沿轴平移，因此电偶极矩矢量和等于零，表面沿轴方向受力时，并无压电效应。压电效应的应用：1、换能器　　换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件　　压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外

8、电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。　　　　压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。　　2、压电驱动器　　压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向