什么是压电效应？谁发现了压电效应？

将一块看起来平平无奇的陶瓷接上导线和电压表，用手在上面一摁，电压表的指针也跟着发生摆动——竟然产生了电流！ 噢~这就是压电效应！

 01什么是压电效应？压电效应是当您对压电晶体施加机械应力（挤压）时，晶体两侧会出现电势（电压）。实际上，压电效应下晶体变成了一种微型电池，一面带正电荷，一面带负电荷；如果我们将两个面连接在一起形成电路，电流就会流动。

  压电效应有一个重要的特征——可逆。如果你对压电晶体通电，它们会通过来回振动来“挤压自己”，晶体将在一定方向上产生机械变形。这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效应。

 02谁发现了压电效应？压电效应最早是由雅克·居里（Jacques Curie）和皮埃尔·居里（Pierre Curie）兄弟偶然间发现的。（注：皮埃尔·居里的夫人就是大名鼎鼎的居里夫人。）   起先，皮埃尔居里致力于焦电现象与晶体对称性关系的研究。1880 年居里兄弟偶然发现在电气石中施以压力会有电性产生。之后他们又系统的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。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。次年，即1881年，居里兄弟验证了逆压电效应，并得出了正逆压电常数。

如果沿着石英块的主轴拉或挤，在该轴的两端会出现等量相反符号的电荷，与作用力成正比，与石英的尺寸无关。 1984年，德国物理学家沃德马·沃伊特（Woldemar Voigt），推论出只有无对称中心的20个点群的晶体才可能具有压电效应。是的，压电效应产生的原因与晶体结构有关。不是所有的晶体都能产生压电效应，只有非中心对称的晶体才能产生压电效应。上面提到的平平无奇的陶瓷，可不是一般家里地板上的瓷砖，而是“压电陶瓷”，它能通过压电效应将机械能和电能互相转换。  03压电效应的工作原理压电效应产生的原因与晶体结构有关。在大多数晶体（如金属）中，晶胞（基本重复单元）是中心对称的，比如TiO2。

TiO2晶体结构 但在压电晶体中，晶胞是非中心对称的。目前应用最广的压电晶体——石英（SiO2）就具有非中心对称晶体结构。

 

石英  

 

石英晶胞结构   下面我们以石英为例，详细讲解压电效应的工作原理。

石英产生压电效应的过程   ①、一般情况下，石英晶体中每个晶胞的净电荷均为零，正负离子的中心位置相同，正电荷和负电荷刚好抵消。

  ②、如果挤压或拉伸石英，石英的晶胞就会发生结构变形，正负离子的中心不再重合，电荷平衡被打破，晶体内部出现极化。伸长产生负电荷(纵向压电效应)，缩短产生正电荷(横向压电效应)。

晶体的拉伸与压缩 ③、极化使得石英表面产生感应电荷。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。此时，如果在石英表面加上电极，并将其连接到电路上， 我们便能得到电流。

按压石英  

石英表面极化   逆压电效应以相反的方式发生。在压电晶体上施加电压，就会使里面的原子受到“电压”的影响，它们必须移动以重新平衡自身，导致压电晶体变形。  04按压石英发电，可行吗？压电效应是力生电的过程，就像发电机。如果我们可以通过一次按压一个压电晶体来产生一点点电，那是否意味着我们可以通过高速多次按压多个晶体来产生大量的电？ 比如将压电晶体埋在城市街道和人行道下，然后收集汽车和行人经过按压时产生的电能；再比如在鞋子中装上压电储能设备，把我们日常的行走转化为电量给手机充电。

如图：带有内置压电传感器(1)的鞋子，当你走路时，它会上下跳动，将电流发送到电路(2)，然后储存在电池(3)中。 通过压电效应发电收集能量，理论上是可行的。但是理想很丰满，现实很骨感。目前回收压电效应能量的效率并不高，投入和收益不成正比，所以很少有相关应用。 05压电效应的典型应用虽然发电不行，但压电效应大有用处。 如今压电效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。压电换能器：在各种情况下，我们需要将机械能（压力或某种运动）转换为电信号，反之亦然。通常我们可以使用压电换能器来做到这一点。 在超声波设备中，压电换能器将电能转换为极快的机械振动——振动频率在20KHz以上。这些超声波振动可用于扫描、清洁和各种其他事情。 在麦克风中，我们需要将声能转换为电能。只需将麦克风的振动部分粘在压电晶体上，当您的声音发出的压力波到达时，它们就会使晶体来回移动，从而产生相应的电信号。  压电传感器：在科学和工农业生产等方面，需要测量压力、应力、加速度等物理量时，压电传感器是应用较多的一种传感器。压电传感器主要基于压电效应，把待测的压力转换成为电量再进行相关测量。压电传感器的工作原理：当压电晶体受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。

压电式测力传感器的结构 压电传感器不可以应用在静态的测量当中，只可以应用在动态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大的输入抗阻的时候，才可以得以保存下来。压电高压发生器：利用压电效应可以把振动转换成电能，还可以获得高电压输出。这种获得高电压的方法可用来做成引燃装置，如汽车火花塞、打火机、炮弹的引爆压电雷管等。还可用来作红外夜视仪和手提x光机中的高压电源等。

当你按下打火机开关时，压电晶体受到挤压从而产生电压火花。压电晶体振荡器：压电晶体振荡器（晶振）是将机械振动变为同频率的电振荡的器件，由夹在两个电极之间的压电晶片构成。由于压电晶片的机械振动有一个确定的固有频率，所以它对频率非常敏感。 目前应用最多的压电晶体振荡器是石英晶体振荡器，其振荡原理是压电效应和电致伸缩效应的总效果。

石英晶体振荡器 在石英晶体上加上电压使之产生形变，而形变又在晶体上产生电荷，通过静电感应则在外电路形成电流。若加的是交变电场，引起的形变也是交变的。交变的形变所形成的电荷和电流也是交变的，最后由于晶片自身的机械限制而稳定在某一幅度上。

由于石英晶体具有一定的固有振动频率，当外加电场频率等于其固有频率时，便会产生谐振。这就是石英晶体可以作为谐振选频电路的基本原因。石英晶体振荡器具有极高的频率稳定度，因而广泛使用于要求频率稳定度高的设备中，例如标准频率发生器、脉冲计数器、石英钟等。

审核编辑 ：李倩