第九章 压电

压电元件的基本原理压电元件是一种能够产生电荷变化或机械变形的材料。

其基本原理是当施加力或压力时，压电材料会发生形变，产生电荷变化或电势差。

这种现象被称为压电效应，是压电元件工作的基础。

压电材料一般具有非中心对称结构，如石英、铁电材料等。

在这些材料中，晶格的正负离子会因压力的作用而发生微小位移，从而引起电荷的不平衡。

这种电荷的不平衡会导致电场的形成，产生电势差。

当施加外加电场时，电势差会导致晶格的变形，从而产生机械振动。

压电效应的产生与材料的结构和晶格特性密切相关。

压电元件主要由压电材料和电极组成。

压电材料通常是一种薄片状的陶瓷材料，如PZT（铅锆钛酸铅）和PZN-PT（铅锆钛酸铅镁）等。

这些材料具有良好的压电性能和稳定性，可广泛应用于压电传感器、压电马达和压电陶瓷等领域。

在压电元件中，电极的作用是引导电荷的流动。

一般情况下，压电材料的两侧会贴上电极，形成正负极。

当施加外加电压时，电荷会在电极之间产生移动，从而产生电流。

反之，当施加外加压力时，压电材料会发生形变，导致电荷的不平衡，产生电势差。

这种电势差可以被电极接收和测量。

压电元件在实际应用中具有广泛的用途。

例如，压电传感器可以将压力或力转换为电信号，用于测量和控制。

压电陶瓷可用于制造超声换能器，广泛应用于医学成像、清洗和检测等领域。

此外，压电元件还可以作为振动源，用于制造压电马达和压电陶瓷喷墨头等。

压电元件的基本原理是利用压电效应，将施加的力或压力转化为电荷变化或机械变形。

通过合理设计和选择压电材料，以及合适的电极配置，可以实现不同类型和性能的压电元件。

这些元件在各个领域具有重要的应用价值，为现代科技的发展做出了重要贡献。

压电效应及其理论解释1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟在实验中发现：当某些晶体受到机械力而发生拉伸或压缩时，晶体相对的两个表面会出现等量的异号电荷。

科学家把这种现象叫做压电现象，具有压电现象的介质称为压电体。

当压电体发生机械形变时，其极化强度发生变化，导致表面吸附的自由电荷随之而变。

如果将两个表面装上电极并用导线接通，变化的自由电荷便从一个极板移至另一极板，形成电流。

如果压电体上加交变电场，则压电体就会交替出现伸长和压缩，即发生机械振动。

压电效应的解释：在离子性的晶体中，正、负离子有规则地交错配置，构成结晶点阵。

这样就形成了固有电矩，在晶体表面出现了极化电荷，又由于晶体暴露在空气中，经过一段时间，这些电荷便被降落到晶面上的、空气中的异号离子所中和，因此极化面电荷和电矩都不会显现。

但是，当晶体发生机械形变时，晶格就会发生变化。

这样，电矩产生变化，表面极化电荷数值也发生改变。

于是，面上正电荷或负电荷都有了可以测出的增量(增加或减少)，这种增量就是压电效应的电量。

压电效应的应用我们把根据压电效应制作出的材料叫压电陶瓷，利用它可以制作石英谐振器，陶瓷滤波器、陷波器、鉴频器、拾音器、发声器，超声波发声器等器件，还可以作为电子打火机、煤气点火栓的电源。

下面着重介绍家用电器中常用的几种压电器件。

石英晶体谐振器在石英晶体上加一交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变的电场。

由于石英晶片具有固有的振动频率(称为石英晶体的谐振频率)，因此，当J'l,JJtl交变电压的频率等于石英晶片的谐振频率时，这种振动就会突然增加，而在电路中反映出谐振特性。

这种现象称为压电谐振效应。

根据压电谐振效应可以制作出石英谐振器，这种谐振器因具有极高的品质因数和极高的稳定性。

已经被应用于对讲机(型号有JA44等)，电子手表(型号有JU1等)、电视机(型号有JA22等)、电子仪器等产品中作压控振荡器使用。

压电元件的等效电路压电元件是一种应用广泛的电子元件，它的主要作用是将机械能转换为电能或者将电能转换为机械能。

压电元件的等效电路是描述其特性和工作原理的重要方法。

本文将从压电元件的工作原理、等效电路的构成和应用场景等方面进行探讨。

一、压电元件的工作原理压电现象是指某些晶体在受到外力作用时，会产生电荷分布的不均匀现象，从而产生电势差。

这种现象被称为压电效应。

压电材料是一种特殊的晶体材料，它的晶格结构呈现出不对称性，所以它会在受到外力作用时产生电荷分布的不均匀现象。

这种现象被称为压电效应，压电材料就是利用这种效应制成的元件。

压电元件的工作原理是利用压电效应将机械能转换为电能，或者利用反压电效应将电能转换为机械能。

压电元件一般是由压电材料制成的，它的两端分别连接着电极，当压电元件受到外力作用时，会产生电势差，从而在电极之间形成电压。

反之，当在电极之间施加电压时，压电元件会发生形变，从而将电能转换为机械能。

压电元件的等效电路是描述其特性和工作原理的重要方法。

它是压电元件的电学模型，可以在设计和分析电路时使用。

压电元件的等效电路一般由电容、电感和阻抗等元件构成。

1.电容压电元件具有电容特性。

当压电元件的两端施加电压时，会在其内部形成电场，从而产生电容效应。

压电元件的电容取决于压电材料的形状和尺寸，压电材料的电容一般很小，一般是几个皮法德以下。

2.电感压电元件也具有电感特性。

当压电元件受到外力作用时，会产生形变，从而改变其自感系数，从而产生电感效应。

压电元件的电感取决于其形状和尺寸，一般比电容大得多。

3.阻抗压电元件的等效电路也包含了阻抗元件。

压电元件在受到外力作用时，会产生电势差，从而在电极之间形成电流。

这个电流与电压之间的比值就是压电元件的阻抗。

压电元件的阻抗一般很大，可以达到几千兆欧姆。

三、压电元件的应用场景压电元件是一种应用广泛的电子元件，它被广泛应用于振动传感器、声波发生器、压力传感器、电动机控制等领域。

压电效应原理压电效应是指某些晶体在受到机械应力作用时，会产生电荷分离现象的性质。

这种效应最早是由法国物理学家皮埃尔·居里兄弟在1880年首次发现的。

压电效应在现代科技领域有着广泛的应用，比如压电陶瓷元件、压电传感器、压电换能器等，它们在声学、电子、通信、医疗等领域都有着重要的作用。

压电效应的原理可以通过晶体结构和电荷分布来解释。

晶体的结构不是完全均匀的，而是由正负电荷交替排列的。

当外部施加机械应力时，晶体结构会发生微小的畸变，导致正负电荷之间的相对位移，从而产生电荷分离。

这种电荷分离会形成一个电场，使得晶体两端产生电势差，即产生压电电荷。

反之，当外部电场作用于压电晶体时，也会引起晶体结构的畸变，从而产生机械变形。

压电效应的原理可以用数学模型来描述。

根据压电效应的基本方程，可以得到压电系数与应变的关系，从而得到压电系数与电场的关系。

通过这些关系，可以计算出压电材料在外力或外场作用下的电荷分布和电势差，进而推导出压电材料的压电性能。

压电效应的应用十分广泛。

在声学领域，压电效应可以将电能和机械能相互转换，从而用于声波的发射和接收。

在电子领域，压电效应可以用于制作压电陶瓷元件，如压电陶瓷换能器、压电陶瓷滤波器等，用于振动传感器、压力传感器、加速度传感器等。

在通信领域，压电效应可以用于制作压电天线，实现宽带和多频段的通信。

在医疗领域，压电效应可以用于制作超声探头，用于医学成像和治疗。

总的来说，压电效应是一种重要的物理效应，它不仅有着丰富的理论基础，而且有着广泛的应用前景。

随着科学技术的不断发展，人们对压电效应的研究和应用也将会更加深入和广泛。

相信在未来的科技领域，压电效应将会发挥出更加重要的作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。

压电力学及其应用压电力学是研究电场和机械应力之间相互作用的科学领域。

所谓压电效应，就是将力（机械应力）转化为电场能量的现象。

压电效应是许多电子器件工作原理的基础，具有众多应用。

一、压电效应的基本原理压电效应是电力学和力学相互作用的基本现象。

它的实质是一种畸变效应，即施加力（机械应力）会引起物质结构的畸变，从而导致电荷分布的改变，最终形成电场强度。

压电效应有三种类型：直接压电效应、反向压电效应和压电相位效应。

直接压电效应指的是当一个物体的表面或内部受到力的作用时，它内部的电极化状态也会因此发生变化，同时产生电势差，从而产生电场。

比如，当我们在石英晶体的两个末面加上两个电极之后，将在不需要电源驱动的情况下使电极发生大致一致的运动。

反向压电效应恰恰相反，即施加电场时引起物质的畸变，产生力学应力而形成移位。

比如，当石英晶体中的电场强度超过一定程度时，晶体内部会出现畸变，产生机械挤压效应。

这个过程也可以用于电子设备中的陀螺仪传感器。

压电相位效应则是伴随着压电效应的相位闪烁现象。

即产生压电效应时，会在物体中存在机械痕迹，进而导致物体表面电位扰动及电磁波波动。

二、压电效应的应用压电效应在许多领域都有广泛应用，具体如下：1、声电转换。

压电扬声器能够将电流信号即时转换成可听见的音频信号。

2、压电传感器。

压电元件能够将外加力转化为电信号，从而实现测量和控制的目的。

3、压电振荡器。

压电晶体振荡器可被用于构建高频率发生器和高精度计时器。

4、微调电容器。

压电陶瓷能够产生一定的电容角度变化，从而实现微调电容器和受控过滤器。

5、压电马达。

压电马达能将机械能转化为电能，在一些电子设备、声音警报器、精密物体控制应用中具有重要的作用。

6、光学控制器件。

压电效应也可以通过一种称为光学相干效应的光学调制方式来控制光强度和相位。

因此，压电效应是一项基础科学技术，已广泛应用于电子器件、精密仪表、声音和振动设备、以及医学和生命科学中。

在今后的科技发展中，压电效应的应用领域还将继续扩展和拓宽。

压电原理1.压电材料a.材质：晶体或多晶体b.机理：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。

反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。

极化（polarization），指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象。

应用：单晶体：石英------晶振，电子表。

电子表原理就是石英在电池的影响下，石英石英晶体每秒的振动次数高达32768次，我们可以设计简易的电路来计算它振动的次数，当它数到32768次时，电路会传出讯息，让秒针往前走一秒。

2.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”。

正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。

3.逆压电效应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。

4.压电陶瓷的材质压电陶瓷属于钙钛矿结构(CaTiO3),其共同特点是：分子式可以写成ABO3形式，A是二价正离子(Pb2+,Ba2+ ),B是四价正离子(Ti4+,Zr4+ ), 相应的离子在晶胞中的位置也相同A位于六面体的八个顶点上，B位于六面体中心，O2-位于六个面的面心例如：一元系压电陶瓷－－BaTiO3, PbTiO3压电陶瓷二元系压电陶瓷－－Pb(Zr,Ti)O3压电陶瓷-PbTiO3和PbZrO3的混合物。

三元系压电陶瓷－－PZT-Pb(B1B2)O35.压电陶瓷的压电原理a.结构：压电陶瓷是多晶体，每个晶粒都是由一个个晶胞组成的。

b.自发形变：在压电陶瓷的晶格结构中，晶胞的大小形状与温度相关t＞Tc(居里温度)，立方晶胞t＜Tc，c边增大，a,b边缩小，四角晶胞(菱方晶胞)由于这种变化是温度变化时，晶胞自发产生的，因此称：自发形变。

压电效的定义
压电效应是指某些电介质在受到外力作用时，其内部会发生极化现象，即在电介质的晶体结构中出现正负电荷的分布不均匀，导致电介质的晶体结构发生微小的形变，同时在电介质的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去除后，电介质又会恢复到原来的状态，但是其内部的极化现象却被保留下来，即产生了电极化。

这种电极化现象可以被用来产生电能或电能转换，因此压电效应在很多领域都有广泛应用，如声波传感器、压电陶瓷、压电晶体振荡器、压电驱动器等等。

压电效应最早是由法国物理学家P. Curie和J. Curie于1880年发现的，他们发现石英晶体在受到外力作用时，某些表面会出现电荷，电荷量与压力成正比。

随着研究的深入，人们发现压电效应不仅存在于石英晶体中，还存在于其他晶体材料中，如锆钛酸钡、氧化铝、磷酸盐等等。

压电效应的物理机制是由于晶体内部存在着大量的正负离子，当晶体受到外力作用时，正负离子会发生位移，从而导致晶体内部的电场发生变化，产生极化现象。

同时，由于晶体内部的极化现象，晶体的两个相对表面上会出现电荷，这些电荷可以被用来产生电能或电能转换。

压电效应在很多应用中都有广泛的应用，例如在声波传
感器中，压电晶体被用来将声波信号转换为电信号；在压电陶瓷中，压电效应被用来将电能转换为机械能或反之；在压电驱动器中，压电效应被用来产生高精度的机械运动等等。

【转】压电方程2011-05-26 16:50转载自最终编辑压电材料的压电性涉及到力学和电学之间的相互作用，而压电方程就是描述晶体的力学量和电学量之间的相互关系的表达式。

但是由于应用状态和测试条件的不同，压电晶片（振子）可以处在不同的电学边界条件和机械边界条件下，即压电方程的独立变量可以任意选择，所以根据机械自由和机械夹持的机械边界条件与电学短路和电学开路的电学边界条件，描述压电材料的压电效应的方程共有4类，即d型、e型、g型、h型。

四类边界条件为：（1）电学边界条件短路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻小得多，可认为外电路处于短路状态。

这时电极面所累积的电荷由于短路而流走，电压保持不变。

它的上标用E表示。

开路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻大得多，可认为外电路处于开路状态。

这时电极上的自由电荷保持不变，电位移保持不变。

它的上标用D表示。

（2）机械边界条件自由：用夹具把压电陶瓷片的中间夹住，边界上的应力为零，即片子的边界条件是机械自由的，片子可以自由变形。

它的上标用T表示。

夹紧：用刚性夹具把压电陶瓷的边缘固定，边界上的应变为零，即片子的边界条件是机械夹紧的。

它的上标用S表示。

四类边界条件对应四类压电方程，根据不同的边界条件选择不同的压电方程。

第一类压电方程边界条件为机械自由和电学短路，应力T和电场强度E为自变量，应变S和电位移D为因变量。

方程为：式中，第一个方程叙述了正压电效应，而第二个方程叙述了逆压电效应。

式中d为压电常数，dT—d的转置；s—弹性柔顺常数；ε—介电常数。

而εT和sE分别表示应力恒定时的介电常数和场强恒定时的弹性柔顺系数。

第二类压电方程边界条件为机械夹持和电学短路，应变S和电场强度E为自变量，应力T和电位移D为因变量（ansys中所应用的就是这个方程）：式中，c—弹性刚度常数；e—压电应力系数；et—e的转置。

εS为应变恒定时的介电常数（夹紧介电常数），cE为场强恒定时（短路）的弹性刚度系数。

压电极化效应
压电效应是指在某些晶体中，当施加外力时，晶体会产生电荷分布的不均匀，从而形成电势差，这种现象被称为压电效应。

压电效应是一种物理效应，它可以应用于许多领域，包括传感器、振动控制、声纳等。

压电效应最早是在18世纪被发现的，但是直到20世纪初才被广泛应用于实际应用。

压电效应的产生是由于晶体结构的非对称性，当施加外力时，晶体会因为内部的应力分布而发生形变，从而导致电荷的分布不均匀。

这种电荷分布不均匀会导致晶体的两端产生电势差，从而形成电压信号。

压电效应的应用非常广泛，其中最常见的应用是压电传感器。

压电传感器可以将外界的压力转化为电信号，从而实现对压力变化的测量。

压电传感器广泛应用于机械工程、建筑工程、航空航天、医疗器械等领域。

压电效应还可以用于振动控制。

在某些结构中，应用压电材料可以实现对结构振动的主动控制。

这种技术可以应用于地震工程、桥梁工程等领域，从而提高结构的安全性。

除了以上两种应用外，压电效应还可以应用于声纳、超声波、无线电、光学等领域。

例如，在声纳中，压电效应可以将声波转化为电信号，从而实现声波的检测和测量。

在无线电中，压电效应可以将
电信号转化为机械振动，从而实现高频振荡器的构建。

压电效应是一种非常重要的物理效应，它可以应用于许多领域，并且具有广泛的应用前景。

随着科技的不断发展，压电效应的应用也将越来越广泛。