电磁学小论文压电效应.doc

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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

2、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(Pierre Curie)和雅克居里（Jacques Curie）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

3、）、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

4、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

5、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6.1.5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

6、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。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

7、电双晶片或压电单晶片在外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效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照P（VDF-TrFE）共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而

8、为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。3、传感器上的应用压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图所示。由于压电材料的电荷量是一定的，所以在连接时要特别注意，避免漏电。压电式压力传感器的优点是具有自生信号，输出信号大，较高的频率响应，体积小，结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆，在受到突然振动或过大压力时，自我恢复较慢。三、压电效应的现状：下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的应用。1、PbTiO3系压电材料PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺寸

9、产品难的问题，人们还是在改性方面作了大量工作，改善其烧结性。抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细小、各向异性的改性PbTiO3材料。近几年，改良PbTiO3材料报道较多，在金属探伤、高频器件方面得到了广泛应用。目前该材料的发展和应用开发仍是许多压电陶瓷工作者关心的课题。 2、压电陶瓷-高聚物复合材料无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。国内学者对这个领域

10、也颇感兴趣，做了大量的工艺研究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基础研究工作，目前正致力于压电复合材料产品的开发。3、压电性特异的多元单晶压电体传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强，从而得到了广泛应用。但作为大应边，高能换能材料，传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料，做了大量工作，现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变1.7%，几乎比

11、压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的生产工艺研究，它的批量生产的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。 讨论 压电陶瓷信息时代的新型材料其实它是一能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷。在能量转换方面，利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可

12、以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，基于这个原理制做的精确控制机构压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。可以说，压电陶瓷虽然是新材料，

13、却颇具平民性。它用于高科技，但更多地是在生活中为人们眼务，创造美好的生活。总结：压电材料的应用领域可以大致分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。近年来人们合成方法研制出许多具有压电效应和逆压电效应的聚合物材料，并将这些材料冠名为“人造肌肉”。从而对于医学与人类健康的研究指明了方向，而压电效应与其应用也将更加贴近于我们的生活。【 参考文献 】(1) 赵凯华等 电磁学M 北京 高等教育出版社 1985.(2) 胡友秋 程福臻 叶邦角 编著 电磁学与电动力学 科学出版社 2008(3) 华彤文 陈景祖 等编著 普通化学原理（第三版） 北京大学出版社 2005.7(4) 曹良玉 赵春堂 传感器技术及其应用中国现代教育装备 2005(5) 百度百科(6) 维基百科http:/zh.wikipedia.org/zh-cn/%E5%A3%93%E9%9B%BB%E6%95%88%E6%87%89