神奇的压电效应

一路上

前言

压电现象是由两位法国科学家兄弟 Jacques 和 Pierre Curie 于 1880 年发现的。他们首先意识到施加到石英甚至某些晶体上的压力会在某种材料中产生电荷，然后发现了压电现象。他们后来将这种奇怪的科学现象称为压电效应。

居里兄弟很快发现了逆压电效应，他们证实对晶体引线施加电场时，会导致晶体引线变形或紊乱；现在称为逆压电效应。压电一词源自希腊语piezo，意思是挤压或按压。有趣的是，“电”在希腊语中的意思是“琥珀”，琥珀也恰好是电荷的来源。

当今许多电子设备都使用压电。例如，麦克风可能正在使用压电，该压电晶体将您声音中的声能转变为电信号，供您的计算机或手机解读，压电使这一切成为可能。压电效应是某些材料响应所施加的机械应力而产生电场的能力，这些材料包括晶体、陶瓷、聚合物、木材（纤维素纤维）以及许多其他合成和复合材料。

压电可以以多种方式使用，包括感测压力、力和温度的变化。通过将运动转化为能量来发电、产生超声波、控制扬声器中的声学，甚至在起搏器中产生电信号，这些只是如何利用压电的几个例子。

直接压电效应

如上所述，压缩压电材料会产生电力（压电）。图 1解释了这个概念。

图1.压电效应是通过压电材料的压缩而产生的。

压电陶瓷材料（非导电压电陶瓷或晶体）放置在两块金属板之间。为了产生压电，需要压缩或挤压材料。施加到压电陶瓷材料上的机械应力会产生电力。

如图 1 所示，材料上存在电压。两块金属板将压电晶体夹在中间。金属板收集电荷，从而产生/产生电压（闪电符号），即压电。这样，压电效应就像一个微型电池，因为它可以产生电力。这就是正压电效应。利用直接压电效应的设备包括麦克风、压力传感器、水听器和许多其他传感类型的设备。

逆压电效应

压电效应可以逆转，称为逆压电效应。这是通过施加电压使压电晶体收缩或膨胀而产生的  （图 2）。逆压电效应将电能转换为机械能。

图2. 压电效应的反转，称为逆压电效应，是指施加电压使压电晶体收缩或膨胀。

利用逆压电效应可以帮助开发产生和产生声学声波的设备。压电声学设备的示例是扬声器（常见于手持设备）或蜂鸣器。这种扬声器的优点是它们非常薄，这使得它们可用于多种手机。甚至医疗超声波和声纳换能器也使用逆压电效应。非声学逆压电器件包括电机和执行器。

压电材料

压电材料是由于机械应力（例如压缩）而能够发电的材料；当施加电压（电）时，这些材料也会变形。

为了使压电效应发生并发挥作用，所有压电材料都是不导电的。它们可以分为两类：晶体和陶瓷。

压电材料的一些示例是 PZT（也称为锆钛酸铅）、钛酸钡和铌酸锂。这些人造材料比石英和其他天然压电材料具有更明显的效果（使用更好的材料）。

将 PZT 与石英进行比较。对于相同的机械应力，PZT 可以产生更高的电压。相反，向 PZT 而不是石英施加电压可提供更多运动。石英是一种众所周知的压电材料，也是第一个已知的压电材料。

PZT 是用两种化学元素（铅和锆）（在高温下）创建和生产的，并与一种称为钛酸盐的化合物结合在一起。PZT的化学式为(Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O 3 )。它通常用于生产超声波换能器、陶瓷电容器以及其他传感器和执行器。它还表现出一系列特殊的不同属性。1952年，PZT由东京工业大学制造。

钛酸钡是一种具有压电特性的铁电陶瓷材料。6因此，钛酸钡作为压电材料的使用时间比大多数其他材料要长。其化学式为BaTiO 3。钛酸钡于1941年二战期间被发现。7

铌酸锂是氧、锂和铌的化合物。其化学式为LiNbO 3。8也是一种铁电陶瓷材料，它与钛酸钡一样也具有压电特性。

压电器件－声纳

声纳于 1900 年代问世，由刘易斯·尼克松 (Lewis Nixon) 发明。他最初开发声纳是为了帮助探测冰山。不过，在第一次世界大战期间，人们对声纳的兴趣有所上升，以帮助定位水下潜艇。当然，声纳如今有很多目的和用途，从定位鱼类到水下导航等等。

图3. 压电声纳是利用逆压电效应的发射器发出声波来搜索前方物体。

在图 3 中，声纳通过发射器发出声波（信号）来搜索前方物体。发射器利用逆压电效应，即发射器将使用电压来帮助其发出声波。声波一旦击中物体，就会反弹回来。反射回来的声波将被接收器检测到。

与发射器不同，接收器利用直接压电效应。接收器压电装置被返回的声波压缩。它将信号（电压）发送到信号处理电子设备，信号处理电子设备将接收反弹的声波并开始处理它。它将通过计算来自发射器和接收器的定时信号来确定物体的距离。

压电执行器

图 4 显示了压电致动器的操作。底座保持静止，就像夹着中间压电材料的金属板一样。然后将电压施加到材料上，材料会因所施加电压的电场而膨胀和收缩。无论向前还是向后，压电晶体的移动都非常小。一旦压电材料或晶体移动，它就会缓慢地推动和拉动执行器。

图4. 在压电致动器中，电压施加到压电材料上，引起膨胀和收缩。

压电致动器有许多用途和应用。例如，针织机械和盲文机就使用这些执行器，因为它们的运动部件数量很少且设计非常简单。它们甚至可以在摄像机和手机中找到，因为它们被证明是最有效的自动对焦机制。

压电扬声器和蜂鸣器

压电扬声器和蜂鸣器利用逆压电效应来产生和产生声音。当电压施加到扬声器和蜂鸣器时，就会产生声波（再次参见图 2）。施加到扬声器或蜂鸣器的压电陶瓷上的音频电压信号将导致材料振动空气。这种振动产生声波，从扬声器中发出。

压电扬声器通常用于闹钟或其他小型机械设备，以产生简单、高质量的音频声音。这是因为它们仅限于少量的频率响应。11

压电驱动器

压电驱动器可以将低电池电压转换为高电压，为压电器件供电。压电驱动器非常重要，因为它们可以帮助工程师产生更多电压以产生更大的正弦波。

图5. 压电驱动器将低电池电压转换为较高电压，用于为驱动设备的放大器供电。

振荡器输入较小的正弦波，放大器将其转换为较大的正弦波。

图 5 是说明压电驱动器操作的框图，压电驱动器将采用低电池电压并使用升压器将其转换为更高的电压。然后使用较高的电压为放大器供电，振荡器将输入小的正弦波，放大器将其转变为更大的电压正弦波；放大器驱动压电器件。

结论

压电的未来是非常有前途的，这项技术正在不断发展并变得更加高效且更加便宜。压电有许多潜在的应用，流行的想法之一是利用这种效应进行能量收集。