压电效应及其原理

压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系非常有意思。

正压电效应

当压电材料受到某个固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，材料又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；材料受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象称为正压电效应。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

逆压电效应

当对压电材料施加电场时，材料的某些方向会出现机械形变的现象，并且其形变量与外电场强度成正比，这种现象称为逆压电效应。用逆压电效应制造的设备可用于超声工程和微运动领域。

压电材料外部施加力F的产出计算

外部施加力下压电材料产生的电荷Q或者电压V就是正压电效应的应用。通用常数比例变化（如压电常数d₃₃和C_d大小的变化）施加全部外部作用下，压电陶瓷会对应产生电荷量Q。

Q=C_d×V=F×d₃₃

此时输出电压V可由压电材料元件的压电常数g₃₃、厚度t、截面积A的关系表达出来，具体见下公式：

V=F×d₃₃/C_d=F×g₃₃×t/A

举例：压电陶瓷截面积A=10×10mm²，厚度t=1mm，g₃₃=26.5×10^-3vm/N。当力F=10N时，得到输出电压V=2.65V。

压电材料外部施加电压V的产出计算

外部施加电压压电材料产生形变就是逆压电效应的应用。在应用实例中，压电材料可以在直流或低频交流电下运行。此时，无负荷的电位移U和施加电压V有下列关系：

U=V×d₃₃

V：施加电压

d₃₃：压电常数

举例：压电陶瓷d₃₃=635×10^-12m/V，施加电压150V，位移U=95.25nm

原文始发于微信公众号（芯明天压电纳米运动）：压电效应及其原理

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