石小宁

摘 要：介绍了正压电效应和逆压电效应，主要分析了压电效应产生的微观机制，讨论了压电效应的主要应用以及发展前景。

关键词：正压电效应;逆压电效应;電致伸缩效应

电介质被极化后会表现出特有的物理特性，压电效应便是其中一种。利用压电效应制成的各种电子元件和传感器被广泛地应用到生产和生活的各个方面，有着广泛的应用前景。

1 正压电效应和逆压电效应

压电效应分为两种，分别称为正压电效应和逆压电效应。

1.1 正压电效应。有些电介质，当对它们某一特定方向施加作用力时，电介质会发生极化现象。对于均匀电介质而言，这时会在电介质相对的两个面上出现极性相反的极化电荷。撤去作用力后，电介质的形变消失，电介质表面的极化电荷也随之消失。如果改变作用在电介质上力的方向时，相应的极化电荷的正负号也随之改变，且电荷量与所受到的力成正比，这种现象称为正压电效应。

1.2 逆压电效应。有些电介质，当对它们某一特定方向加上电场的时候，电介质会因在电场中的极化而发生形变。当电场的极性相反时，形变也会跟着发生相反的改变。这种现象称为逆压电效应。

2 压电效应的微观解释

2.1 压电材料 压电效应是电介质由于极化而使分子形状和分布改变所产生的效应。不是所有的材料都会产生压电效应，压电材料主要包括以下三类：第一类是用人工方法生长出的压电单晶体，如水晶;第二类是压电陶瓷，它是人工制造的多晶体压电材料，如钛酸钡BT;第三类是压电高聚物复合材料，它是无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成 的压电复合材料，如压电橡胶。从微观结构上来说，32种点群晶体中，只有其中无对称中心的20种晶体才具有压电效应。

下面以石英晶体为例，说明压电效应的微观机制。石英晶体的化学成分是二氧化硅，是一种原子晶体。理想的天然石英晶体是无色透明的六棱柱形状。在晶体学中，石英晶体中有三条正交的轴线：纵向轴Z轴称为光轴;通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴的X轴称为电轴;与光轴和电轴垂直的Y轴称为机械轴，它垂直于两个相对的晶体柱面。石英晶体的每个晶胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列。沿着光轴看去，也就是在Z平面上可以等效地认为是正六边形的排列结构。根据带电离子电荷分布的情况，可以将其等效为图1的正六边形结构。图中圈中带“+”号代表硅离子，圈中“-”代表氧离子。相对的硅离子和两个氧离子构成一个电偶极子，对应的电偶极矩分别为p1、p2和p3（图1）。

2.2 正压电效应的微观解释 当石英晶体没有外力作用时，晶体中的晶格保持正六边形不变，因此三个电偶极矩大小均相等，矢量和为零。当晶体受到外力作用时，如沿X方向的压力的作用，晶体会发生形变（图2）。这种情况下，X方向上的电偶极子的距离将会缩小，根据电偶极矩的定义可知，p1将会减小，而p2和p3将会增大，所以在X方向上的电偶极矩的矢量和会大于零，所以在X轴的正方向会出现正电荷，对应面会出现负电荷。而在Y方向和Z方向，电偶极矩的矢量之和依然为零，故不会出现电荷。反之，如果沿X方向受拉力的作用，则会在X轴正方向出现负电荷，对应面会出现正电荷。这个方向的压电效应称为纵向压电效应。

对于Y轴可以作出同样的讨论，当Y方向受到拉力作用时，它的效果和图2的情况是一样的，此时X的正方向上会出现正电荷，而对应面上出现负电荷，反之亦然。这个方向的压电效应称为横向压电效应。

当作用力沿着Z轴，也就时光轴方向时，不管是拉力还是压力，都不能改变p1、p2和p3的大小和方向，所以，沿着光轴方向的作用力不会出现压电效应。

由此可知，不管作用力是沿着X方向还是沿着Y方向，都会出现压电效应，但电荷只出现在X方向，即电轴方向。

2.3 逆压电效应的微观解释 当石英晶体沿着X方向加上电场的时候，如图3。电偶极子在电场中会受到电场力的作用，X方向上的电偶极子间的距离会缩小，所以体积会相应的发生缩小。

电场的方向相反时，体积会增大。 同样，当在Y方向上加上电场后，由于电场力的作用，会改变电偶极子在Y方向上的距离，因此会改变晶体的体积。但是，在Z方向上加上电场不会改变晶体中的任何电偶极子间带电粒子的，所以不会出现体积的改变。

2.4 逆压电效应和电致伸缩效应 电介质在电场中还有一种效应，称为电致伸缩效应，它和逆压电效应有相似之处，但二者的物理实质是不同的，这里需要区分一下。电介质在电场中会发生形变，这种效应称为电致伸缩效应。逆压电效应和电致伸缩效应的区别在于，首先电致伸缩效应可以发生在一切电介质中，而逆压电效应只对压电材料才会发生。其次，逆压电效应中电场必须沿着特定的方向才会发生，而电致伸缩对电场的方向没有限制。第三，在相同的电场下，电致伸缩要比逆压电效应弱得多。

3 压电效应的应用

压电效应和逆压电效应实现了力学量和电学量之间的联系和转换，因此，由压电材料制成的各种元器件得到了广泛的应用。

3.1.换能器 换能器是实现电能和声能之间转换的器件，主要包括电声换能器，水声换能器和超声换能器。压电材料在外力的作用下可以产生电场的正压电效应，可以制成如麦克风等换能器件。当声波传到压电材料上时，会对压电材料产生周期性的压力，这样就会以压电材料中产生交变的电场，这个电信号经过放大后就可以再以电信号的形式输出到电子播放仪器。利用在压电材料在电场作用下会发生变形的逆压电效应，可以将音频以电信号的形式作用于压电晶体，使之产生周期性的机械振动，由此发出声音。利用这一原理可以制成耳机和扬声器等器件。压电效应中的力学变形使它在水下也不会受影响，所以可以制成水声换能器，在军事方面和水下探测有广泛的应用。当在压电材料上加上高频电场时，压电材料会产生高频的机械振动，这就会产生超声波，这就时超声换能器。主要应用在材料清洗和医学检测方面。

3.2.压电驱动器 压电驱动器是利用逆压电效应形成机械驱动和控制能力的一类装置。电场作用于压电材料后会发生变形，此变形作用于从动件实现机械驱动或机械控制，而非传统驱动器那样需要先形成旋转再经转换形成为目标动力或运动，因而一般具有结构简单、可控性好、适应性强、控制精度高和响应速度快等特点。

3.3.压电传感器 传感器是把非电学量转换成电学量以便于进行测量的装置。压电效应由于力学量和电学量之间的联系，因而可以制成压电传感器将力学量转换成电学量进行测量。压电材料受力后，表面会产生电荷，电荷量是与所受的力成正比。因此，可以通过测量压电材料的电场来确定所受的力的大小。这种压力传感器广泛应用于生物医学测量中。还可以利用惯性力的原理制成测量加速度的传感器等。

4 结语

压电效应由于其特殊的力学和电学效果，在各行各业中有广阔的应用前景。一方面，新兴的压电材料不断被制造出来，显示出更加优越的性能。另一方面，由压电材料制成的各种元器件种类也越来越多，功能越来越强大，将会在国民生产和日常生活领域发挥更加重大的影响。

参考文献：

[1]闫迎礼.压电效应及其应用[J].安阳师范学院学报，2001.

[2]王矜奉，高汝伟.逆压电效应与电致伸缩效应[J].物理，17（7），1994.