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6 / 6电磁学课程报告 光信二班 金慧凝电磁学课程报告压电效应与压电陶瓷金慧凝（1011202班 学号：1101120218）摘要：从我们刚做完的基础物理实验（声速测量）中的超声换能器引入压电效应与压电陶瓷。简述了压电陶瓷换能器产生超声波的原理。通过查找资料、自我消化，自述压电效应与压电陶瓷的应用。关键词：压电效应 压电陶瓷 换能器 一、 前言第一次接触到压电效应是在声速测量试验中。小小的换能器竟然能产生数十KHz的超声波，这引起了我的好奇，也是我写这篇文章的原因之一。某些各向异性的晶体，在外力作用下产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现束缚电荷，这种现象称为压电效应。某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力微小得像声波振那样小，都会产生压缩或伸长等形状变化，引起介质表面带电，这是正压电效应；反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应；晶体的这种性质称为压电性。压电效应反映了晶体的弹性性能与介电性之间的耦合。压电性是居里兄弟于1884年首先在石英晶体上发现的，几个月后，他们又用实验验证了逆压电效应，即给晶体施加电场时，晶体会产生应变和应力。1947年，第一个压电陶瓷材料钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。1956年，钛酸钡拾音器第一个压电陶瓷器件诞生了。80年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料锆钛酸铅研制成功。从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。70年代到90年代，压电陶瓷不断改进，渐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷以及近年来的无铅压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。受到人们的青睐。二、声速测量实验中的压电换能器 在本实验中，采用两个超声换能器分别作为声波的发生器和接收器。压电现象是1880年法国科学家居里兄弟发现的。当结构上不存在对称中心的晶体移于电场中时，会产生机械形变；反之，当这些材料受压变形时，会在表面产生电荷，这就是“压电效应”，前者称为逆压电效应。在本实验中，在换能器工作前要调节共振频率，这是因为超声换能器有一定的固有频率，只有信号源的频率接近固有频率时，能量的转化效率才比较高。如图所示：信号源产生电信号，发射端（即为换能器）产生机械形变，由此将电信号转换为声信号，同轴相对放置的接收器受压变形，表面产生电荷（压电效应），电信号被示波器检测到，即可查看声波图形。如要求声速，可根据极值法或相位比较法间接测得。根据同样的原理，压电效应还在生产生活中有着广泛的应用。比如说：以上内容参考大学物理实验 哈尔滨大学出版社（1） 电话耳机中利用压电晶体的逆压电效应把电的震荡还原为警惕的机械振动。晶体再把这种震动传给一块金属薄片，发出声音。（2） 超声波是频率比耳朵能听到的声波频率高的多的声波（大于20000Hz）。利用逆压电效应可以产生超声波。将压电晶片放在平行板电极之间，在电极间加上频率与晶体片的固有振动频率相同的交变电压，晶体片就产生强烈的震动而发射出超声波来。三、 压电陶瓷的正逆压电效应压电陶瓷的压电效应, 可以用图1的示意图加以解释。图1（a）表示陶瓷压电晶体中的质点在某方向上的投影。此时, 压电陶瓷片不受外力作用, 在晶体中正电荷的重心与负电荷的重心相重合, 整个晶体的总电矩等于零。这是简化了的假定, 实际上是有电偶极矩存在，因而晶体表面不带电荷。但是, 当沿某一方向对于陶瓷晶体施加机械力时, 晶体就会由于发生变形, 导致粒子间的距离键角发生变化, 改变极化状态, 使正负电荷重心不重合, 即电矩发生了变化, 从而引起了晶体表面的电荷现象。称为压电效应。图1（b）为陶瓷压电晶体受压缩时电荷的情况。 图1（c）是拉伸时的电荷情况。在这两种情况下, 晶体表面带电的符号相反。反之, 如果将陶瓷压电晶体置于外电场中，即对陶瓷压电片施加电压，由于电场的作用, 会引起晶体内部正负电荷重心的位移极化。极化位移又导致晶体发生变形, 这种效应称为逆压电效应。 以上内容参照新概念物理教程 电磁学压电振动技术在液浮火控计算陀螺中的应用 纪长河 图1五、 压电陶瓷在压电振子方面的应用压电陶瓷变压器是一种工作在音频或超音频内的固体电子变压器。同传统的铁芯线绕电磁变压器相比，具有体积小，质量轻，使用时不被击穿，变压器本身耐高温，不怕燃烧，无电磁干扰且结构简单，制作工艺简便，可批量生产等优点。压电变压器主要应用于驱动器，变压器，除此之外，压电变压器还被应用于军事，即利用其输出电极引线尖端放电引爆高压雷管。民用方面的应用就更多了。例如霓虹灯驱动器、高压防盗器、高压电击棒、小型- 光机，雷达、复印机、氦, 氖和小型二氧化碳基光气等等。压电陶瓷变压器是通过不同组分形成的异极对称型点群的晶体结构，利用逆压电效应和正压电效应来实现的。当加一个与极化方向平行的压应力后，陶瓷体产生压缩形变，电偶极矩变小，极化强度也就是束缚电荷密度变小，而使电极面上出现多余的自由电荷产生放电现象，如图如沿极化方向施加以拉应力，则出现充电现象，这就是正压电效应。当给压电陶瓷体施加一个与极化方向相同（或相反）的电场时，由于电场方向与极化方向相同（或相反），起着极化强度增大（或减小）的作用，使压电陶瓷体引起沿极化六、压电陶瓷换能器压电陶瓷作为换能器使用时，其应用的范围比振子更为广泛。压电超声换能器就是其中的一个方面，它是水下发射和接收超声波的水声器件，在工业中还被广泛用作超声清洗、超声精密加工、超声加湿和超声诊断等。当今压电超声换能器的另一个广泛应用的领域是遥测和遥控系统，如遥控电视频道开关系统、停车时间记录器的自动控制系统等等。其具体应用实例主要有：压电陶瓷蜂鸣器、压电点火器、超声显微镜等都已得到了广泛的应用见表3 七、压电效应与电磁效应应用领域的相似性电磁效应马上被应用于生产。发电机、电动机、 变压器等均是依靠电磁感应，引发了第二次工业革命，极大地改变了社会面貌。压电效应的发现，同样有着深远的意义。1880 年Curie 兄弟在石英晶体上发现了压电效应, 近几十年压电材料也被用来制作新型微电机、微变压器等。在同一应用领域内,使用压电效应与电磁效应各有优势。例如电机转换器作为电液控制阀的前置元件, 其性质对电液控制阀的性能有直接的影响。实验证明, 粘接式多层压电晶体型电机转换器的静态特性优于电磁型电机转换器, 能够很好满足电机转换器的要求, 可广泛用于电液控制技术领域。压电点火系统是利用压电陶瓷的压电效应, 将机械能转换为电能, 在放电间隙产生电火花引燃燃烧物的装置。与电磁点火系统相比, 它不用电池、电容、电感线圈等电子元件, 节省能源, 结构简单, 安全可靠, 因而广泛应用在日常生活、工业生产以及军事等方面。在压电执行器方面, 微位移、微力的实现既可以通过电磁驱动, 也可以通过压电陶瓷驱动, 而压电陶瓷驱动较之电磁驱动具有不发热、分辨率高等优点。在自感知执行器方面, 用电磁耦合可以制成电磁式自感知执行器。1996 年Guckel H 等采用恒定激励电流, 研制出电磁式线性自感知执行器, 而利用机电耦合可以研制出各种压电自感知执行器。在通讯领域中, 使用电磁波可以在空气中通讯,但是电磁波在水中的传播损耗很大, 传不多远就会被水吸收掉。而声波在水中传播损耗很小, 因此, 在水中通讯和探测主要利用声波来传递信息, 即利用逆压电效应向水中发射声波, 再过正压电效应接收从水中返回的声波。八、压电陶瓷的发展前景今后要解决的问题是实现大功率化，实现高效率、高可靠性，为此，需要进一步研究新的压电材料及结构，得到更大的升压比和更高的转换效率。如果不考虑压电变压器的体积，可增大功率，应用于负离子发生器等电器设备中。实践证明，利用MMLC技术制作的3次多层Rosen型压电陶瓷变压器可以满足市场上笔记本PC机用LCD的背照光要求。低温烧结技术越来越受到重视。低温烧结不仅可以减少PbO的挥发，从而保证组元的化学成分的准确性，而且通史将大大降低对环境的污染。我国清华大学的李龙土等人用B-Bi-Cd系列玻璃熔料作为添加剂，使PTZ瓷料的烧结温度由原来的1250C降低到960C左右，而烧结瓷体的压电性能和稳定性比原来在1250C烧成的瓷体性能不仅不降低，反而还有所提高。这种瓷料已成功地用于制作高升压比的独石瓷变压器，其交流空载升压比可达9000以上。此外，随着人们环境保护意识的提高，铅基压电陶瓷正在一步一步地被无铅压电陶瓷所代替，无铅压电陶瓷的研究与应用也已经成为目前开发的热点。已开发的铌酸盐系陶瓷、铋层状结构压电陶瓷、钛酸盐陶瓷等一系列无铅压电陶瓷，其性能都已经有了很大的突破。据国际电子商情报道，到2006年1月1日，所有的电子产品都是无铅的。而且有的国家也已立法禁止使用含铅的压电铁电材料。因此，从发展的角度来看，寻找替代PTZ的无铅压电陶瓷材料是很有必要而且很紧迫的课题。 以上内容参考自压电效应与电磁效应的相似性研究史丽萍, 王立晶, 赵月容( 黑龙江大学机电工程学院, 哈尔滨150080)九、结论、讨论在电磁学课程上，所学内容给我的感觉就是前后联系非常紧密。静电场、恒定磁场、电磁感应、电磁介质等内容有很多都可以互相解答。针对“课程报告”的任务，我只是在书中的介绍材料中选取了“压电效应”。不仅是因为“压电效应”比较具体，而且因为在物理实验课上接触过压电换能器。由于水平所限，我没法研究一个具体现象，能做的是通过查找、阅读文献，通过自己的理解做个概述。通过研究，我对压电效应的理解更深了一层，了解了压电效应如何从理论走向生产实践。随着对材料结构的深入认识和应用技术的研究与拓展,压电陶瓷材料将广泛用于电子技术、通信技术、激光技术、生物技术等高科技领域,随着这些领域的飞速发展和经济社会新的发展需求,对压电陶瓷的性能会有更高的要求,如高居里温度、高机电耦合系数和机械品质因数及环保、无铅、复合、纳米压电陶瓷必将成为今后的研究重点。引用文献：【1】张卫珂 张敏 尹衍升 谭训材料的压电性及压电陶瓷的应用（山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室 济南 中国海洋大学材料科学与工程研究院，青岛!）【2】严联莹 多层压电陶瓷变压器及其应用技术 电子元器件应用 2002年5月