什么是壓電效應(yīng)？誰發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)？

將一塊看起來平平無奇的陶瓷接上導(dǎo)線和電壓表，用手在上面一摁，電壓表的指針也跟著發(fā)生擺動(dòng)——竟然產(chǎn)生了電流！ 噢~這就是壓電效應(yīng)！

01什么是壓電效應(yīng)？壓電效應(yīng)是當(dāng)您對(duì)壓電晶體施加機(jī)械應(yīng)力（擠壓）時(shí)，晶體兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)（電壓）。實(shí)際上，壓電效應(yīng)下晶體變成了一種微型電池，一面帶正電荷，一面帶負(fù)電荷；如果我們將兩個(gè)面連接在一起形成電路，電流就會(huì)流動(dòng)。

壓電效應(yīng)有一個(gè)重要的特征——可逆。如果你對(duì)壓電晶體通電，它們會(huì)通過來回振動(dòng)來“擠壓自己”，晶體將在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，也稱作電致伸縮效應(yīng)。

02誰發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)？壓電效應(yīng)最早是由雅克·居里（Jacques Curie）和皮埃爾·居里（Pierre Curie）兄弟偶然間發(fā)現(xiàn)的。（注：皮埃爾·居里的夫人就是大名鼎鼎的居里夫人。） 起先，皮埃爾居里致力于焦電現(xiàn)象與晶體對(duì)稱性關(guān)系的研究。1880 年居里兄弟偶然發(fā)現(xiàn)在電氣石中施以壓力會(huì)有電性產(chǎn)生。之后他們又系統(tǒng)的研究了施壓方向與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系，及預(yù)測(cè)某類晶體具有壓電效應(yīng)。經(jīng)他們實(shí)驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)，具有壓電性的材料有：閃鋅礦、鈉氯酸鹽、電氣石、石英、酒石酸、蔗糖、方硼石、異極礦、黃晶及若歇爾鹽。這些晶體都具有各向異性結(jié)構(gòu)，各向同性材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電性的。次年，即1881年，居里兄弟驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，并得出了正逆壓電常數(shù)。

如果沿著石英塊的主軸拉或擠，在該軸的兩端會(huì)出現(xiàn)等量相反符號(hào)的電荷，與作用力成正比，與石英的尺寸無關(guān)。 1984年，德國(guó)物理學(xué)家沃德馬·沃伊特（Woldemar Voigt），推論出只有無對(duì)稱中心的20個(gè)點(diǎn)群的晶體才可能具有壓電效應(yīng)。是的，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原因與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。不是所有的晶體都能產(chǎn)生壓電效應(yīng)，只有非中心對(duì)稱的晶體才能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。上面提到的平平無奇的陶瓷，可不是一般家里地板上的瓷磚，而是“壓電陶瓷”，它能通過壓電效應(yīng)將機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換。 03壓電效應(yīng)的工作原理壓電效應(yīng)產(chǎn)生的原因與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。在大多數(shù)晶體（如金屬）中，晶胞（基本重復(fù)單元）是中心對(duì)稱的，比如TiO2。

TiO2晶體結(jié)構(gòu) 但在壓電晶體中，晶胞是非中心對(duì)稱的。目前應(yīng)用最廣的壓電晶體——石英（SiO2）就具有非中心對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu)。

石英

石英晶胞結(jié)構(gòu) 下面我們以石英為例，詳細(xì)講解壓電效應(yīng)的工作原理。

石英產(chǎn)生壓電效應(yīng)的過程 ①、一般情況下，石英晶體中每個(gè)晶胞的凈電荷均為零，正負(fù)離子的中心位置相同，正電荷和負(fù)電荷剛好抵消。

②、如果擠壓或拉伸石英，石英的晶胞就會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，正負(fù)離子的中心不再重合，電荷平衡被打破，晶體內(nèi)部出現(xiàn)極化。伸長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)電荷(縱向壓電效應(yīng))，縮短產(chǎn)生正電荷(橫向壓電效應(yīng))。

晶體的拉伸與壓縮 ③、極化使得石英表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。此時(shí)，如果在石英表面加上電極，并將其連接到電路上， 我們便能得到電流。

按壓石英

石英表面極化 逆壓電效應(yīng)以相反的方式發(fā)生。在壓電晶體上施加電壓，就會(huì)使里面的原子受到“電壓”的影響，它們必須移動(dòng)以重新平衡自身，導(dǎo)致壓電晶體變形。 04按壓石英發(fā)電，可行嗎？壓電效應(yīng)是力生電的過程，就像發(fā)電機(jī)。如果我們可以通過一次按壓一個(gè)壓電晶體來產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)電，那是否意味著我們可以通過高速多次按壓多個(gè)晶體來產(chǎn)生大量的電？ 比如將壓電晶體埋在城市街道和人行道下，然后收集汽車和行人經(jīng)過按壓時(shí)產(chǎn)生的電能；再比如在鞋子中裝上壓電儲(chǔ)能設(shè)備，把我們?nèi)粘５男凶咿D(zhuǎn)化為電量給手機(jī)充電。

如圖：帶有內(nèi)置壓電傳感器(1)的鞋子，當(dāng)你走路時(shí)，它會(huì)上下跳動(dòng)，將電流發(fā)送到電路(2)，然后儲(chǔ)存在電池(3)中。 通過壓電效應(yīng)發(fā)電收集能量，理論上是可行的。但是理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。目前回收壓電效應(yīng)能量的效率并不高，投入和收益不成正比，所以很少有相關(guān)應(yīng)用。05壓電效應(yīng)的典型應(yīng)用雖然發(fā)電不行，但壓電效應(yīng)大有用處。 如今壓電效應(yīng)已經(jīng)被科學(xué)家應(yīng)用在與人們生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動(dòng)、頻率控制等功能。壓電換能器：在各種情況下，我們需要將機(jī)械能（壓力或某種運(yùn)動(dòng)）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，反之亦然。通常我們可以使用壓電換能器來做到這一點(diǎn)。 在超聲波設(shè)備中，壓電換能器將電能轉(zhuǎn)換為極快的機(jī)械振動(dòng)——振動(dòng)頻率在20KHz以上。這些超聲波振動(dòng)可用于掃描、清潔和各種其他事情。 在麥克風(fēng)中，我們需要將聲能轉(zhuǎn)換為電能。只需將麥克風(fēng)的振動(dòng)部分粘在壓電晶體上，當(dāng)您的聲音發(fā)出的壓力波到達(dá)時(shí)，它們就會(huì)使晶體來回移動(dòng)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。 壓電傳感器：在科學(xué)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面，需要測(cè)量壓力、應(yīng)力、加速度等物理量時(shí)，壓電傳感器是應(yīng)用較多的一種傳感器。壓電傳感器主要基于壓電效應(yīng)，把待測(cè)的壓力轉(zhuǎn)換成為電量再進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。壓電傳感器的工作原理：當(dāng)壓電晶體受到外力作用的時(shí)候，它的表面會(huì)形成電荷，電荷通過電荷放大器、測(cè)量電路的放大以及變換阻抗后，就會(huì)被轉(zhuǎn)換成為與所受到的外力成正比關(guān)系的電量輸出。

壓電式測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu) 壓電傳感器不可以應(yīng)用在靜態(tài)的測(cè)量當(dāng)中，只可以應(yīng)用在動(dòng)態(tài)的測(cè)量當(dāng)中，原因是受到外力作用后的電荷，當(dāng)回路有無限大的輸入抗阻的時(shí)候，才可以得以保存下來。壓電高壓發(fā)生器：利用壓電效應(yīng)可以把振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能，還可以獲得高電壓輸出。這種獲得高電壓的方法可用來做成引燃裝置，如汽車火花塞、打火機(jī)、炮彈的引爆壓電雷管等。還可用來作紅外夜視儀和手提x光機(jī)中的高壓電源等。

當(dāng)你按下打火機(jī)開關(guān)時(shí)，壓電晶體受到擠壓從而產(chǎn)生電壓火花。壓電晶體振蕩器：壓電晶體振蕩器（晶振）是將機(jī)械振動(dòng)變?yōu)橥l率的電振蕩的器件，由夾在兩個(gè)電極之間的壓電晶片構(gòu)成。由于壓電晶片的機(jī)械振動(dòng)有一個(gè)確定的固有頻率，所以它對(duì)頻率非常敏感。 目前應(yīng)用最多的壓電晶體振蕩器是石英晶體振蕩器，其振蕩原理是壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)的總效果。

石英晶體振蕩器 在石英晶體上加上電壓使之產(chǎn)生形變，而形變又在晶體上產(chǎn)生電荷，通過靜電感應(yīng)則在外電路形成電流。若加的是交變電場(chǎng)，引起的形變也是交變的。交變的形變所形成的電荷和電流也是交變的，最后由于晶片自身的機(jī)械限制而穩(wěn)定在某一幅度上。

由于石英晶體具有一定的固有振動(dòng)頻率，當(dāng)外加電場(chǎng)頻率等于其固有頻率時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生諧振。這就是石英晶體可以作為諧振選頻電路的基本原因。石英晶體振蕩器具有極高的頻率穩(wěn)定度，因而廣泛使用于要求頻率穩(wěn)定度高的設(shè)備中，例如標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器、脈沖計(jì)數(shù)器、石英鐘等。

審核編輯 ：李倩