压电效应(Piezoelectric effect)
压电效应论文
中南大学材料科学与工程学院课程设计论文题目：压电效应简析专业：材料加工班级：1010******学号：********** 指导教师：***二○一二年十一月压电效应简析一、压电效应（piezoelectric effect）概述1.1 压电效应的定义某些电介质，当沿着一定方向对其施力使它变形，其内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，我们把这种现象称为压电效应。
1.2 压电效应分类压电效应分为正压电效应和负压电效应。
正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；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。
通过此过程把机械能转化成电能的现象，称为正压电效应负压电效应：当在电介质极化方向施加电场，引起晶体机械变形的现象，称为负压电效应。
它是压电效应的逆效应。
其产生的原因是，压电晶体中的晶格在电场力的作用下产生较强的内应力而导致变形。
压电晶体在交变电场的作用下，其内应力和形变都会发生周期性变化，从而产生机械振动。
也称为电致伸缩效应。
1.3 压电效应的特性与作用：由压电效应原理可知，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
因此，压电材料可实现机械能—电能量的相互转换。
1.4 压电效应的历史和发展压电效应是1880年由法国著名物理学家，放射学先去皮埃尔•居里先生和雅克•保罗•居里发现的。
他们发现某些晶体特别是石英等受到挤压或者拉伸力的作用后，会在相对的两个平面上产生异号电荷，且密度与电压成正比。
一旦电荷出现，放点过程的发光便相伴而生。
由此可知，当石英晶质体绵延几公里的时候，震前上百巴的应力变化足以造成百万伏的触发电压，低空的放点发光便在情理之中。
经过一百多年的研究，人们发现压电效应有两种，机械能转变为电能是正效应，相反为逆效应，而且有20多种晶体均含有压电效应。
压电
压电复合材料压电复合材料是由压电相材料与非压电相材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的一种具有压电效应的复合材料。
与压电陶瓷相比较具有更低的密度和声阻抗，从而使其与生物体、非金属材料、水与气体介质有着更好的匹配特性；其Qm值比普通压电陶瓷低2-3个数量级，使其很适合制作宽带窄脉冲换能器；压电复合材料具有较高的接收电压灵敏度；其平面机电耦合系数要小于普通压电陶瓷的平面机电耦合系数，使能量更能集中于厚度模。
因此压电复合材料在料位、液位传感器；医疗探头；无机非金属材料无损检测超声领域；声纳、水听器、深度仪、鱼探仪等水声领域；声学成象、机器人领域都有巨大的应用前景。
目前世界压电复合材料的市场前景相当可观，其在军事领域的作用也是巨大的，用其制作的被动声纳换能器，作用距离可以提高1-3倍，因此，压电复合材料的研究，无论是在民用方面还是军事领域都具有非常重要的意义。
一：1压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。
这种现象称压电效应（Piezoelectric Effect）。
正压电效应：机械能转化为电能逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，即电致伸缩效应。
——具有压电效应的压电材料可以实现机械能和电能的相互转化。
正压电效应的电位移与施加的应力有：D=dT逆压电效应的应变与施加的电场强度有：S=dE——d为压电常数2压电材料①压电晶体，主要包括压电石英晶体和其它压电单晶。
②压电陶瓷一元系：钛酸铅(PT)二元系：锆钛酸铅系列PbTiO3-PbZrO3(PZT)和铌酸盐系列KNbO3-PbNb2O3三元系：PMN 由铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3钛酸铅PbTiO3-锆钛酸铅PbZrO3三成分配比而成四元系：综合性能更加优越③高分子聚合物，聚氟乙烯（PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)④压电复合材料3压电材料的性能（1）机电偶合系数（2）机械品质因数（3）频率常数（4）压电常数（5）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。
压电片的工作原理
压电片的工作原理
压电片（Piezoelectric ceramic）基于压电效应工作，是一种能够将机械能转化为电能或者将电能转化为机械能的材料。
其工作原理如下：
1. 压电效应：当施加压力或拉伸力于压电片上时，会使压电片内部的正负电荷不均匀分布。
这是由于压电片的晶体结构具有非对称性，因而会在应力作用下发生原子位移，导致产生电偶极矩。
2. 电-机耦合效应：当外部施加电场于压电片上时，会使其内部的正负电荷产生移动，导致压电片发生形变或者振动。
这是由于电场会改变晶体结构中离子位移的平衡位置，从而使晶体变形。
基于这两个效应，压电片可用于传感器、驱动器、换能器等多个领域。
例如，将压电片用作传感器时，外界的压力或应力会使其产生电荷，并通过测量这些电荷的变化来检测压力或应力的大小；而将压电片用于驱动器时，通过施加外部电场控制其振动或形变的特性来实现机械运动或声学转换。
压电效应——精选推荐
压电效应科技名词定义中文名称：压电效应英文名称：piezoelectric effect定义1：在缺少对称中心的晶态物质中，由电极化强度产生与电场强度成线性关系的机械变形和反之由机械变形产生电极化强度的现象。
与压电效应同时还能发生电致伸缩。
所属学科：电力(一级学科)；通论(二级学科)定义2：不存在对称中心的异极晶体，受外力作用发生机械应变时在晶体中诱发出介电极化或电场的现象(称为正压电效应)，或者在这种晶体加上电场使晶体极化，而同时出现应变或应力的现象(称为逆压电效应)。
所属学科：机械工程(一级学科)；工业自动化仪表与系统(二级学科)；机械量测量仪表-机械量测量仪表一般名词(三级学科)本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布百科名片压电效应压电效应：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。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，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。
依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。
目录英文名称压电效应分类压电效应历史与应用巧用打火机演示压电效应压电晶体压电高分子压电陶瓷--信息时代的新型材料压电陶瓷的应用压电效应应用及现状压电效应对对发电机原理的介绍英文名称压电效应分类压电效应历史与应用巧用打火机演示压电效应压电晶体压电高分子压电陶瓷--信息时代的新型材料压电陶瓷的应用压电效应应用及现状压电效应对对发电机原理的介绍展开压电效应英文名称Piezoelectric effect压电效应分类压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。
正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；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。
物理探索与演示实验1(电磁学)
实验二
【实验目的】
演示起电现象
感应起电机
【实验器材】
维氏起电机，包括由起电盘、放电球、莱顿瓶、感应 电刷、皮带轮、集电梳、连接片，起电圆盘涂有许多片 铝箔，如图所示
【实验原理】
起电机是利用感应作用来起电的，在通常情况下，由于大气中带电粒子的 碰撞，或者以前实验残留下来的电荷，是能够自己带电的，当两个起电盘快速旋 转时，带电系统特别是装有绝缘手柄的放电叉的球部，分别积聚起不同电性的电 荷。随着起电过程不断交替进行，感应起电的作用越来越强，两个导电系统积聚 的不同符号的电荷越来越多，它们之间的电势差也越来越大。
【实验操作与现象】
把起电机放电球调整到合适的位置，摇动圆盘把手，当两个起电盘快速旋 转时，放电叉的球部分别聚集起不同电性的大量电荷，而形成火花放电。注意观 察放电现象。
【注意事项】
1、操作起电机时，动作要缓和，由慢到快，但速度不能太快，过快了会影响中 和电刷与导电层接触，反而不能起电，也容易损坏起电盘。摇转停止时亦需慢慢 进行，可松开手柄靠摩擦作用使其自然减慢，以防起电盘由于惯性从转动轴上松 脱。 2、起电机带电后和停止摇动时，由于集电杆等处带有电荷，操作者不要触摸实 验设备，应将两个放电球接触，进行正负电荷中和， 3、两放电球接触后不能再转动摇把手，避免两个起电盘上所有导电层正负电荷 完全中和，不能再起电。
实验九
实验目的
压电效应
演示压电晶体在压缩力作用下，在两面能够产生 电位差，即机械振动通过压电晶体转换为电振动 （电信号）；在晶体两面加上一定的电位差，晶 体线度会发生一定的变化，产生机械振动，即逆 压电效应。
实验仪器
压电效应演示仪，如图所示：
实验原理
一.压电效应（Piezoelectric Effect）
结构材料
结构材料：(structural material)是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料。
载流子：（charge carrier ）半导体中载运电流的带电粒子，电子和空穴,又称自由载流子。
共晶：（eutectic）指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象。
共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段，是一个液态同时生成两个固态的平衡反应。
其熔化温度称共晶温度。
热电效应：（Thermoelectric Effect ）是当受热物体中的电子，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。
纳米材料：（nano material）是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。
碳纳米管：CNT，具有独特结构和奇异电化学催化特性;为发展新型直接电化学酶传感器提供了可能性。
表面效应：（Surface Effect）球形颗粒的比表面积与直径成反比，随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性。
复合材料：(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。
各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。
智能材料：（intelligent material）是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。
功能材料：（functional material ）是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。
材料优值：某种半导体对某种应用的适合程度。
压电效应
石英晶体的压电效应
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现分别进行如下实验：
（1）当晶片受到沿x轴方向的力Fx作用时，通过冲击电流 计，可测出在x轴方向电极面上的电荷q(1)1。并发现x轴 方向电极面上的电荷密度（q(1)1/llw）的大小与x轴方向 单位面积上的力（Fx /llw）成正比，即：
q (1) 1
P 2 E 0 ( d 2 5 X 5 d 2 6 X 6 ) ( d 1 4 X 5 2 d 1 1 X 6 ) （4-7）
• 振动模式：
– 振动模式、压电振子的等效电路、机电类比和机电 网络
• 谐振器和振荡器：
– 谐振器的等效电路、振动模式；振荡器原理
石英晶体的压电效应
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压电效应 Piezoelectric effect
• 压电效应 (Piezoelectric effect)：是指材料在压力作用下 产生与压力成正比的电荷量，正压电效应；或者在电压作 用下，材料发生与电压成正比的机械形变量，逆压电效应。 压电效应由压电方程描写；材料的压电性由压电常数决定。 并不是所有材料都具有压电性，只有满足一定对称性的晶 体材料才会有压电效应。
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—石英晶体属于六角晶系32点群，坐标系o-xyz。
石英晶体的压电效应
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在晶体x轴垂直的方向上，切下一块薄晶片，晶片面与x轴垂 直，如图4-1b所示，称为x切割。更详细的说法是：如果晶 片的厚度沿x轴方向，长度沿y方向，则称为xy切割。该晶片 的长度为l，宽度为lw，厚度为lt，与x轴垂直的二个晶面上涂 上电极，并与冲击电流计连接(测量电量用)，如图4-1c所示。
chapter4压电效应
P (2) 1
T2
即：P1(2) d12T2
式中，P(2)1为晶片只受到y方向旳应力T2作用时， 在x方向产生旳极化强度分量，百分比系数d12称 为压电常数。
试验中还发觉当T1=T2时，存在P(2)1= -P(1)1， 由此可得 d11= -d12，即石英晶体旳压电常数d12 旳大小等于压电常数d11旳负值。
—石英晶体旳最大特点是： 性能稳定，频率温度系数低(可做到频率温度系数接近于零)， 在通讯技术中有广泛地应用。
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硅原子和氧原子在z平面上旳投影位置，以及因为 在x方向上受到压力或张力作用时，产生正压电效 应旳示意图 α－石英晶体(SiO2) 能产生压电效应，是与石英晶体 内部构造分不开旳。 构成α—石英晶体旳硅离子Si4+与氧离子O2-在垂直于 晶体z轴旳xy平面(或称为z平面)上旳投影位置。
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1. 压电效应旳概念
可分为正压电效应和逆压电效应
某些介电体在机械力作用下发生 形变，使介电体内部正负电荷中 心相对位移而发生极化，以致晶 体两端表面出现符号相反旳束缚 电荷，其电荷密度与应力成正比。 这种由“压力”产生“电”旳现 象——称为正压电效应。
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假如将具有压电效应旳介电体 (压电晶体)置于外电场中，电 场作用使介电晶体内部正负电
具有对称中心旳晶体是非压电晶体。 假如具有对称中心旳晶体在某一方向
上存在电偶极矩，则根据对称中心旳 对称要求，也肯定存在大小相等、方 向相反旳电偶极矩。 如图，这些一对对大小相等、方向相 反旳电偶极矩彼此抵消，对总极化无 贡献。
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晶体旳任何形变也不能变化这个中心对称性质。所 以，凡具有对称中心旳晶体，肯定是非压电晶体。
同理，当晶体在x方向受到张力F作用时，晶体在x方向被拉