Piezoelectric Effect
马今伟
（青岛科技大学 材料科学与工程学院 2010届）
摘要：介绍、解释和演示压电效应；简述压电效应的应用。
1. 引言
几乎每个人都接触过打火机，尤其是广大的烟民们，但知道打火机中有一个很重要的器件——压电陶瓷的人恐怕就不多了。那么，它是怎么制成的呢？另外，我们都知道声纳可以探测到深海中的潜艇和鱼，为保护国家安全和创造经济价值做出了巨大贡献。但声纳应用了什么原理呢？还有一种地震仪，可以对人类不能感知的细微振动进行监测，并精确测出震源方位和强度，从而预测地震，减少损失，这种神奇的地震仪又是根据什么原理造出
来的呢？其实它们都是基于同一个原理——压电效应。
2. 正文
1 压电效应的概念及原理
某些固体电介质，如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等，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，同时在它的两个相对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，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，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。
2 压电效应的历史
压电效应是J.Curie和nfj防静电不发火P.Curie兄弟于1880年在α石英晶体上首先发现的。起先，P.Curie致力于焦电现象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。他们又系统地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、钠氯酸盐、电气石、石英、酒石酸、蔗糖、方硼石、异极矿、黄晶及若歇尔盐。他们还发现这些晶体都具有各向异性结构，各向同性材料是不会产生压电性的，并且建立了压电性与晶体结构的关系。
1894年，W.Voigt更严谨地定出晶体结构与压电性的关系，他发现32种晶类可能具有压电效应（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）。
尽管压电效应早早地被发现，但在Curie兄弟发现它之后的三分之一世纪中，压电效应在应用上几乎没有受到任何重视，就是P.Curie本人也只不过用它来测量镭元素所辐射出的电荷罢了。直到1914年，在第一次世界大战中，盟军军舰受到德国潜艇的攻击大量受损，于是设法寻有效侦测潜艇的方法。因为电磁波无法有效穿透海水，而声波则能容易地在海里行进，因此，当时的P.Langevin发展出用石英压晶体管做成的声波产生器。可惜等到有了好结果，大战已接近尾声而来不及用上了。
第一次世界大战后不久，压电效应便发展出重要的应用。哈佛大学的教授G.W.Pierce用石英晶体制作出了超声波干涉仪。1919年，Cady教授第一次利用石英制作频率控制器。192
0年，Valasek发现酒石酸钾钠的极化可以通过施加外电场而反向。1927年， R.W.Wood与A.L.Loomis首先使用高功率超声波，同时使用蓝杰文型的石英换能器配合高功率真空管，在液体中产生高能量，使液体引起所谓的空腔现象。后来，Pierce-Miller又发明了一种以后广被采用的晶体控制振荡电路。在第二次世界大战中，大约使用了一千万个晶体振荡器，用以建立坦克与坦克之间及地面和飞机之间的通讯。
压电效应的广泛应用，是从40年代中期开始的。与此同时，压电、铁电学已成为晶体物理学的一个重要分支，在60年代和70年代达到了成熟的阶段。至今发现的压电、铁电材料已有数千种，已被应用到与人们生产、生活、军事、科技密切相关的许多领域，以实现力——电转换等功能。
3 压电效应的演示
可控硅调压电路
目前流行的一次性塑料打火机，有相当一部分是采用压电陶瓷器件来打火的。其中的压电打火元件如图1所示。
⑴测量仪器及附件选择
压电打火机的电压陶瓷元件产生的瞬间电压用什么仪器可以测量呢？起初，用普通指针式多用电表直流高压挡测量，发现每次按动点火元件的黑塑料压杆时，两个电极接出的电压只能使指针略微抖动一下。分析原因是，电压脉冲持续时间甚短，指针惯性较大，指针无法同步体现电压的变化做大幅偏转。 图1压电打火元件
Piezo ignition component
换用数字显示型多用电表，本以为其无指针惯性影响，应该能读出瞬间高电压来，谁知事与愿违，根本看不到预想的高电压读数，只能看到一些变换不定的低电压读数。分析起来，这是由于液晶显示响应速度较慢，而点火电压脉冲持续时间甚短，来不及显示最高瞬间电压，只能显示电压降落（较平缓阶段）过程中的某些随机电压读数。最后，用示波器再做一试，用的是实验室最普通的J2459型学生示波器，连接线为两条普通的带鳄鱼夹的导线。从理论上讲，示波器是利用电子束偏转后打在荧光屏上来显示光点移动的，而电子束惯性极小，应该能“跟踪”上点火电压脉冲的变化，实验结果不出所料。
数字电视接收器⑵电压幅值的估测方法
把示波器交直流选择开关置于“DC”挡，扫描范围置于“10～100kHz”挡，用X移位和Y移位将水平亮线移到方格坐标的中央部，置X轴上。为了能估测压电效应的最高电压幅值，我们必须先用荧光屏前的方格坐标系，定出电压标尺：利用接在示波器毛毡带Y输入接线柱上的两根导线，把一节干电池的1．5V电压加在示波器上，衰减放在1，Y增益放在最低，可以发现刚才的水平亮线上跳（或下跳）两格左右，即此时两格代表1．5V电压。在Y增益不变的情况下，再将Y衰减放在1000（即千分之一）挡，荧光屏前方格坐标的两格就可以代表1500V了。
将Y输入接线柱上的鳄鱼夹上的两根导线分别接在压电打火机压电元件的两个电极上，迅速按下其黑塑料压杆，可以看到原来位于中央高度的水平亮线向上（或向下）跳动又恢复原位。由于荧光屏的余晖作用，水平亮线在示波器上显现的是一条高度达四格的亮带，这表明该脉冲的电压幅值在3000V以上。
⑶脉冲持续时间的估测
将示波器的衰减挡置于1000挡，扫描范围置于“10～100Hz”挡，“扫描微调”左旋到底，即扫描频率为10Hz，调节“X增益”和“X移位”旋钮，使X轴扫描线充满10格，那么每一格代表1/10×1/10s，按下压电元件的黑塑料压杆，可以看到压电脉冲持续一格，即对应于0.01s，也就是说，该脉冲持续的时间约为0.01s。
④压电效应的应用
● 压电陶瓷
压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷。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。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性，可将其应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。
比如，在航天领域，压电陶瓷制作的压电陀螺，是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。依靠“舵”，航天器和人造卫星，才能保证其既定的方位和航线。传统的机械陀螺，
寿命短，精度差，灵敏度也低，不能很好满足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高，可靠性好。
在潜入深海的潜艇上，都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布不可缺少的设备，也是开发海洋资源的有力工具，它可以探测鱼、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中，有一双明亮的“眼睛”——压电陶瓷水声换能器。当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号，这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收，于是，就发现了目标。目前，压电陶瓷是制作水声换能器的最佳材料之一。热风旋转烤炉
压电陶瓷也广泛用于日常生活中。用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石制成的气体电子打火机，可连续打火几万次。利用同一原理制成的电子点火是点燃煤气炉极好的用具。还有几种用压电陶瓷元件制作的儿童玩具，比如在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具就会在被按压时发出逼真有趣的蜂鸣声。对甲苯磺酸吡啶盐
地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。而压电陶瓷可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电
地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。
● 石英换能器
石英换能器是在石英两面各贴一钢片，使其振荡频率降到50KHz从而做成的。外加一电脉波讯号，则它经石英换能器转换成声波传至海底；过一段时间后，换能器接收到从海底反射的回波，由来回时间及波在海中行进的速度，可计算出换能器到海底的距离。这个原理同样可测潜艇的位置。
对压电聚合物水声换能器的研究初期均瞄准军事应用，如将它用于水下探测大面积传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，充分发挥了压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件而且声阻抗与水数量级相同等特点。其中最后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压
电聚合物水听器的性能。
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。
3. 结论
①压电效应的发现为新型材料的研究开发做出了不可磨灭的贡献，极大地丰富了新型无机材料的研究内容。
②压电效应虽也用于高科技，但更多地是在生活中为人们服务，帮助人们创造更加美好的生活。
参考文献：
◆ 马文蔚改编。物理学。北京：高等教育出版社，1999
◆ 王从曾主编。材料性能学。北京：北京工业大学出版社，2001
◆ 闫迎利。安阳师院教育学院报。
