压电效应

压电效应（英语：Piezoelectricity），是电介质材料中一种机械能与电能互换的现象。压电效应有两种，正压电效应及逆压电效应。压电效应在声音的产生和侦测、高电压的生成、电频生成、微量天平（英语：Microbalance）和光学器件的超细聚焦有着重要的运用。

当压电效应材质的应变片，改变形状后产生电压（此为夸张的示意图）

发现

1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现电气石具有压电效应。1881年，他们通过实验验证了逆压电效应，并得出了正逆压电常数。1910年，德国物理学家沃德马·沃伊特（英语：Woldemar Voigt）发表著作《晶体物理学教科书》（Lehrbuch der Kristallphysik，Textbook on Crystal Physics）。这本书描述了20种能够产生压电效应的自然晶体，并且用张量分析来严格定义压电常数。^[1][2]:47

两种压电效应

压电效应图解

正压电效应

当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。若欲持续产生电能，须使材料振动。^[3]

正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。

${\displaystyle P=d\sigma }$

其中，${\displaystyle P}$为晶体的极化强度，单位是${\displaystyle C/{m^{2}}}$， ${\displaystyle d}$为压电常数，单位是${\displaystyle C/N}$，${\displaystyle \sigma }$为应力，单位是${\displaystyle N/{m^{2}}}$。

逆压电效应

当在压电材料表面施加电场（电压），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。这种通过电场作用而产生机械形变的过程称为“逆压电效应”。逆压电效应实质上是电能转化为机械能的过程。

${\displaystyle S=d_{t}E}$

其中，${\displaystyle S}$为晶体的应变，${\displaystyle d_{t}}$为压电常数，单位是${\displaystyle m/V}$，${\displaystyle E}$为电场强度矢量，单位是${\displaystyle V/m}$。

两种压电效应的关系

可以证明，正压电效应和逆压电效应中的系数是相等的，且具有正压电效应的材料必然具有逆压电效应。^[2]:48页

电致伸缩

如果外界电场较强，那么压晶体管还会出现电致伸缩（英语：Electrostriction）效应，即材料应变与外加电场强度的平方成正比的现象。可以用以下公式给出：

${\displaystyle S=\mu E^{2}}$

其中，${\displaystyle \mu }$为电致伸缩系数，单位是${\displaystyle m^{4}/{C^{2}}}$。

材料

压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。根据材料的种类，压电材料可以分成压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、压电聚合物和压电复合材料四种。根据具体的材料形态，则可以分为压电体材料和压电薄膜两大类。^[2]:49

压电单晶体

压电单晶体大多数为铁电晶体。另外还包括石英、硫化镉、氧化锌、氮化铝等晶体。这些铁电晶体包括：

• 含氧八面体的铁电晶体，例如钛酸钡晶体、具有铌酸锂结构的铌酸锂、铌酸钽和具有钨青铜结构的铌酸锶钡晶体。
• 含有氢键的铁电晶体，例如磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、和磷酸氢铅（及磷酸氘铅）晶体。
• 含层状结构的钛酸铋晶体等。

目前应用最广泛的非铁电性的石英压晶体管、铁电型压晶体管铌酸锂和铌酸钽等。^[2]:49页

压电多晶体（压电陶瓷）

陶瓷的压电性质最早是在钛酸钡上发现的，但是由于纯的钛酸钡陶瓷烧结难度较大，且居里点（120℃左右）、室温附近（5℃左右）有相变发生，即使改变其掺杂特性，其压电性仍然不高。1950年左右发明的锆钛酸铅（简称：PZT）则是迄今为止使用最多的压电陶瓷。^[2]:49

压电聚合物

早在1940年，苏联就曾发现木材具有压电性。之后又相继在苎麻、丝竹、动物骨骼、皮肤、血管等组织中发现了压电性。1960年发现了人工合成的高分子聚合物的压电性。1969年发现电极化后的聚偏二氟乙烯具有较强的压电性。具有较强压电性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯和尼龙-11（英语：Nylon_11）等。^[2]:63

压电复合材料

压电复合材料是由两种或多种材料复合而成的压电材料。常见的压电复合材料为压电陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活环氧树脂）的两相复合材料。这种复合材料兼具压电陶瓷和聚合物的长处，具有很好的柔韧性和加工性能，并具有较低的密度、容易和空气、水、生物组织实现声阻抗匹配。^[2]:65。此外，压电复合材料还具有压电常数高的特点。压电复合材料在医疗、传感、测量等领域有着广泛的应用。

参考文献

1. Woldemar Voigt, Lehrbuch der Kristallphysik （页面存档备份，存于互联网档案馆） (Berlin, Germany: B. G. Teubner, 1910).
2. 朱建国，孙小松，李卫. 電子與光電子材料. 北京: 国防工业出版社. ISBN 978-7-118-05244-2.
3. 林蕙君、舒贻忠. 壓電振能擷取簡介 (PDF). （原始内容存档 (PDF)于2020-09-15）. 极化过的陶瓷压电材料受力变形时，电偶极矩的密度也会改变，在材料表面产生正负电荷，此即为正压电效应(direct piezoelectric effect)。分布不均的正负电荷建立了净电场，意即有电势能存在。若能在材料表面铺设电极提供自由电子，电势能即可驱动这些自由电子产生电流。然而，电流产生的同时，材料表面的正负电荷也会渐渐中和，电势能终将消失。因此，若欲持续地产生电能就必须使材料振动，反复的拉伸与压缩即可产生电性交错的交流电。

相关标准

• 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

相关条目

• 电介质
• 陶瓷材料
• 机电耦合系数

外部链接

• 奈米纤维发电衣 走动就来电 （页面存档备份，存于互联网档案馆），载中时电子报，2008年2月15日
• （英文）Piezoelectric Ceramic （页面存档备份，存于互联网档案馆）