压电性是什么?
马林Edvardsson 20年10月21日 >5分钟

压电性是什么?

骨头、木头和石英都是压电材料。但什么是压电性,它是如何工作的呢?在这里,我们将解释这种非凡的特性从何而来。

电气和机械性能的耦合

压电是一种现象,它意味着材料的电态和机械态之间存在耦合。当一块压电材料被机械变形时,例如被压缩,电流就会流过并给它的表面充电。反之亦然,当施加电场时,它会变形。

1880年,保罗-雅克·居里和他的弟弟皮埃尔(著名的玛丽·居里的丈夫)发现了这种现象。除了已经提到的材料之外,还有更多的材料表现出压电性能,如蔗糖、丝绸、罗谢尔盐、PVDF和许多陶瓷。但为什么不是所有的材料都具有这种特性呢?其原因是要出现压电性,材料必须是晶体,但没有对称中心。我们很快就会知道了。

下载pdf:什么是压电及其工作原理

压电效应源于净电荷的重排

压致电流的表现源于材料内部电荷的重新排列。在平衡状态下,当材料卸载时,材料晶格内的电荷排列是这样的,即单位细胞是不带电的,图1 A。然而,当材料发生机械变形时,在单元内会发生电荷再分配。这种再分配将在单元电池表面诱导净电荷,并产生净偶极矩,如图1B和1C所示。

压电原理

图1。压电原理图。A)在平衡状态下,单位电池的电荷分布不存在净偶极矩。B)压缩时,垂直方向上产生净偶极矩。C)拉伸时,水平方向上产生净偶极矩。

所有单元电池的净电荷贡献之和将是一块材料的电极化。这意味着施加的机械力在材料上产生了电压。然而,要发生偏振,必须没有对称中心,如图2所示。如前所述,只有某些材料才能满足这一要求。

压电原理:对称mtrl-1

图2。具有对称中心的材料的单位细胞内电荷分布的示意图。无论是在平衡态(A),还是在机械变形态(B, C),电荷分布都是这样的,即净偶极矩永远不会出现。

相反的现象,即当电压施加在材料表面时,材料会改变形状,被称为反向压电效应,这一现象直到一年后的1881年才被发现。

压电被广泛应用,新的应用正在等待着我们

自从一个多世纪前压电效应被发现以来,它已经扩展到各种应用领域,现在被广泛使用。区域包括频率控制,例如时钟,扬声器产生声音,和微平衡,如药物而且QCM-D,以监测质量变化。但还不止于此。现在压电是未来可持续能源供应的一个候选贡献者。光、风和热一直是显而易见的来源,由于压电效应,振动现在也被添加到列表中。使用振动源发电的一种方法是,例如通过街道或人行道的瓷砖获取人体动能.即把脚步的能量转化为电能。以这种方式产生的能量可以用于城市中的路灯或其他低压设备。

结束语

压电性是某些材料的一种特性,当受到机械应力时,会产生电流。它被用于,例如,频率控制和电流发电应用。

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