什么是正/逆壓電效應(yīng)，兩者關(guān)系過程是什么？

　　壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為壓電傳感器。

　　壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

　　某些電介質(zhì)，當(dāng)受力變形時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在兩個(gè)表面產(chǎn)生相異電荷，外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這叫壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性隨之改變，這種現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電解質(zhì)也會產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。

　　正壓電：壓電效應(yīng)是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。

　　逆壓電：是指對晶體施加交變電場引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。

　　依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。

　　這里再介紹一下電致伸縮效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)，即電介質(zhì)在電場的作用下，由于感應(yīng)極化作用而產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變大小與電場平方成正比，與電場方向無關(guān)。壓電效應(yīng)僅存在于無對稱中心的晶體中。而電致伸縮效應(yīng)對所有的電介質(zhì)均存在，不論是非晶體物質(zhì)，還是晶體物質(zhì)，不論是中心對稱性的晶體，還是極性晶體。

　　下面我們利用壓電陶瓷測試壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

　　常用的壓電陶瓷是由鋯鈦酸鉛（PZT）材料做成的。將PZT材料做成的壓電陶瓷片粘在圓形黃銅片上就構(gòu)成了壓電陶瓷元件。它具有明顯的壓電效應(yīng)。

　　首先，將壓電陶瓷片A的兩根引線通過一個(gè)按鈕開關(guān)與信號發(fā)生器相聯(lián)。將壓電陶瓷片B的兩根引線與擴(kuò)音器（帶喇叭）的輸入端相連。將A、B兩個(gè)壓電陶瓷片用黑封泥固定在同一個(gè)木板制成的箱子上。當(dāng)觀察者將按鈕開關(guān)按下，接通信號發(fā)生器和壓電陶瓷A時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，A開始振動，并把振動傳給木箱，木箱的振動傳給壓電陶瓷B，由于壓電效應(yīng)，使B兩邊產(chǎn)生變化電信號，再傳給擴(kuò)音器使喇叭發(fā)聲，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)演示了壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

　　兩種壓電效應(yīng)的關(guān)系

　　正壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。即：P=dσ其中，P為晶體的電極化率，單位是C/m2，d為壓電常數(shù)單位是C/N，σ為應(yīng)力，單位是N/m2。

　　當(dāng)在壓電材料表面施加電場（電壓），因電場作用時(shí)電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長，如上圖所示。這種通過電場作用而產(chǎn)生機(jī)械形變的過程稱為“逆壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程。即：S=dtE。其中，S為晶體的楊氏模量，dt為壓電常數(shù)，單位是m/V，E為電場強(qiáng)度適量，單位是V/m。如果外界電場較強(qiáng)，那么壓晶體管還會出現(xiàn)電致伸縮效應(yīng)（electrostriction effect），即材料應(yīng)變與外加電場強(qiáng)度的平方成正比的現(xiàn)象?？梢杂靡韵鹿浇o出：S=μE2，其中，μ為電致伸縮系數(shù)，單位是m4/C2?？梢宰C明，正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)中的系數(shù)是相等的，且具有正壓電效應(yīng)的材料必然具有逆壓電效應(yīng)。

　　壓電效應(yīng)的應(yīng)用

　　壓電效應(yīng)在當(dāng)今電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，總的來說，壓電效應(yīng)歸屬于電磁效應(yīng)的一種，類似于極化效應(yīng)。在日常生活中，壓電效應(yīng)除了在材料領(lǐng)域有獨(dú)樹一幟的應(yīng)用角色，在一些常用的器件中也作為核心部件的工作機(jī)理。隨著壓電技術(shù)的不斷發(fā)展，壓電效應(yīng)在傳感器上的應(yīng)用也為我們帶來了更多的方便。在日常生活中，我們把根據(jù)壓電效應(yīng)制作出的材料叫壓電陶瓷，利用它可以制作石英諧振器，陶瓷濾波器、陷波器、鑒頻器，拾音器、發(fā)聲器，水聲換能器，魚群探測器，壓電陶瓷變壓器，陶瓷壓力器，加速度計(jì)，超聲波發(fā)聲器等器件，還可以作為電子打火機(jī)、煤氣點(diǎn)火栓、導(dǎo)彈與魚雷爆炸時(shí)的電源。

　　壓電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　（1）實(shí)驗(yàn)原理

　　正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。

　　逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。

　?。?）實(shí)驗(yàn)裝置

　　自制壓電陶瓷實(shí)驗(yàn)儀、壓電陶瓷點(diǎn)火器和聲控開關(guān)

　　電路連接圖：

　?。?）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

　?、伲河^察逆壓電效應(yīng)。把功能轉(zhuǎn)換開關(guān)撥向“逆壓電”一側(cè)， 把壓電陶瓷片接入逆壓電一側(cè)的插口，接通電源，此時(shí)音樂片上的集成電路便把聲音電信號加在壓電陶瓷片上奏響。然后把功能轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至“正壓電”一側(cè)，音樂片在奏完一段曲子之后便停止，否則將一直奏個(gè)不停，耗盡電池。

　?、冢河^察正電壓效應(yīng)。功能轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)處于“正壓電”一側(cè)。具體步驟如下：

　　a.將壓電陶瓷片的引線接入用作直流伏特計(jì)的數(shù)顯多用表插口，然后注意在用手接下壓電陶瓷片與松手瞬時(shí)，伏特計(jì)示數(shù)的符號與數(shù)值，試解釋一下你看到的現(xiàn)象。

　　b.把壓電陶瓷片接入“正壓電”一側(cè)的插口，接通電源，待LED不亮后在下列情況下觀察LED發(fā)亮情形;使電壓陶瓷碰一下桌面在離壓電陶瓷片500mm左右處拍一下桌面。

　　c.觀察閥體總成，并且操作它打出明亮的火花，將閥體總成的把手朝里一按，然后往逆時(shí)針方向一擰，便可見兩個(gè)尖端間出現(xiàn)火花，自己觀察一下，兩個(gè)尖端相距3~4mm時(shí)火花最明亮，也即釋放的能量最大。

　　d.操作聲控開關(guān)，一只手握住氣囊，然后與另一只手相撞便可使接在聲控開關(guān)上的用電器的電源接通或斷開。