壓電效應是由法國科學家居里兄弟在 19 世紀末發現的。當時談論這一發現現象的實際應用還為時過早，但今天壓電元件已廣泛應用於工程和日常生活中。
壓電效應的本質
著名物理學家發現，當某些晶體（水晶、電氣石等）在其刻面變形時，就會產生電荷。電位差微不足道，但當時現有的設備修復了它，並且通過在導體的幫助下連接具有相反電荷的部分，可以接收 電流。.該現象僅在壓縮或拉伸時以動態方式記錄。靜態變形不會引起壓電效應。
很快，相反的效果在理論上得到證實並在實踐中發現——當施加電壓時，晶體會變形。事實證明，這兩種現像是相互關聯的——如果一種物質表現出直接的壓電效應，它也會表現出相反的效應，反之亦然。
在具有足夠不對稱性的各向異性晶格（根據方向具有不同的物理性質）以及一些多晶結構的物質中觀察到這種現象。
在任何固體中，施加的外力會引起變形和機械應力，在具有壓電效應的物質中，電荷也會極化，極化取決於施加力的方向。當影響方向改變時，極化方向和電荷極性都會改變。極化對機械電壓的依賴性是線性的，並由表達式 P=dt 描述，其中 t 是機械電壓，d 是稱為壓電模量（壓電模量）的係數。
逆壓電效應也會出現類似的現象。當外加電場方向改變時，變形方向也隨之改變。這裡的相關性也是線性的：r=dE，其中 E 是電場強度，r 是應變。對於所有物質的直接和反向壓電效應，係數 d 相同。
事實上，這些方程只是估計。實際的依賴性要復雜得多，並且還取決於力相對於晶軸的方向。
具有壓電效應的物質
壓電效應最早是在水晶（石英）的晶體中發現的。時至今日，這種材料在壓電元件的製造中非常普遍，但生產中不僅使用天然材料。
許多壓電元件基於具有 ABO 分子式的材料3配方，如 BaTiO3, 二氧化鈦3.這些材料具有多晶（由許多晶體組成）結構，並且為了使它們能夠表現出壓電效應，它們必須通過外部電場進行極化。
有一些技術可以得到薄膜壓電體（聚偏二氟乙烯等）。為了賦予它們必要的特性，它們還必須在電場中長時間極化。這種材料的優點是它們的厚度非常小。
具有壓電效應的物質的性質和特性
由於極化只發生在彈性變形過程中，壓電材料的一個重要特性是它能夠在外力的作用下改變形狀。這種能力的值由彈性柔量（或彈性剛度）決定。
具有壓電效應的晶體具有很高的彈性——當力（或外部應力）被移除時，它們會恢復到原來的形狀。
壓電晶體還具有固有的機械共振頻率。如果強迫晶體在這個頻率下振盪，幅度會特別大。
由於不僅整個晶體表現出壓電效應，而且在某些條件下切割它們的板，因此可以獲得在不同頻率下具有共振的壓電材料片 - 取決於幾何尺寸和切割方向。
機械品質因數也表徵了壓電材料的振動特性。它表示對於相等的施加力，在共振頻率下振動幅度增加了多少倍。
壓電特性對溫度有明顯的依賴性，在使用晶體時必須考慮到這一點。這種依賴性的特點是係數：
- 諧振頻率的溫度係數顯示了當晶體被加熱/冷卻時諧振消失了多少；
- 溫度膨脹係數決定了壓電晶片的線性尺寸隨溫度變化的程度。
在一定溫度下，壓電晶體會失去其特性。這個極限稱為居里溫度。此限制因每種材料而異。例如，石英為 +573 °C。
壓電效應的實際應用
壓電電池最著名的用途是作為點火元件。壓電效應用於袖珍打火機或燃氣灶的廚房點火器。按壓晶體時，會產生電位差，並在氣隙中出現火花。
這並不是壓電元件應用領域的終結。具有類似效果的晶體可用作應變傳感器，但該應用領域受限於壓電效應的特性，僅出現在動力學中 - 如果變化停止，則信號停止生成。
壓電晶體可用作麥克風 - 當暴露於聲波時會產生電信號。逆壓電效應還允許（有時同時）將此類元件用作聲音發射器。當向晶體施加電信號時，壓電元件將開始產生聲波。
這種發射器廣泛用於產生超聲波，特別是在醫療技術中。在 在 也可以利用板的共振特性。它可以用作聲學濾波器，僅發射其自身頻率的波。另一種選擇是在聲音發生器（警報器、檢測器等）中同時使用壓電元件作為頻率傳感器和聲音發射器。在這種情況下，聲音將始終以共振頻率產生，並且可以以很少的能量消耗獲得最大音量。
諧振特性用於穩定在射頻範圍內工作的振盪器的頻率。石英板在頻率保持電路中充當高度穩定和高質量的振盪電路。
到目前為止，已經有一些很棒的項目可以在工業規模上將彈性變形的能量轉化為電能。您可以使用行人或汽車重力引起的路面變形，例如，照亮高速公路的路段。可以利用飛機機翼的變形能量來提供機載動力。這種使用受到壓電電池效率不足的限制，但已經創建了試點裝置，並且它們已顯示出進一步改進的希望。
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