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压电效应

来源:本站    发布时间:2014/12/5 10:27:32    点击量:
压电效应
    压电效应是某些材料的特性(尤其是某些晶体和特定的陶瓷,包括骨髓),即加载机械应力时能够产生出电势。这样电荷在晶格上可能表现为是分开的。如果材料不短路,被作用的电荷使得材料产生出电压。这个词来源于希腊语piezo或piezein ,意思是挤压或按压。
    压电效应是可逆的,在那些存在直接压电效应(即当施加压力时产生电)的材料中,同样也存在相反的压电效应(即施加电场时产生出压力和/或张力)。例如,锆钛酸铅晶体的最大形变大约是最初尺寸的0.1%。
    这种效应能提供很多有用的应用,如产生和探测声音,产生高电压,电子频率发生器, 微量天平和超精细聚焦光学组件等。这也是根据大量科学仪器的技术,包括具有原子级别分辨率、扫描探测显微镜如扫描隧道显微镜、原子力显微镜、消息传送代理、扫描近场光学显微镜等,还有日常用途,如作为点火源用于打火机和一键启动的丙烷烧烤。
机理
    在压电晶体中,正电荷和负电荷是分离的,但呈对称分布,因此晶体整体是电中性的。任何一面形成一个电偶极子,附近的偶极子就都会趋向一致方向的区域称为维斯区域。这个区域通常是随机取向,但可以在极化过程中排列(不同于磁性极化),这整个过程是在材料上加载一个强电场的情况下,且通常是高温。
    当施加机械应力,对称性被打乱,不对称的电荷在材料上就会产生一个电压。例如,一个1立方厘米的石英立方体在被正确的施加2kN(500磅)力就可以产生12500V电压。 压电材料还能表现出相反的效果,称为逆压电效应,在电场作用下,晶体产生机械变形。
压电圆盘在变形时会产生一个电压(图中形状的改变被夸大)
应用
    压电晶体目前用于很多途径,其中一种是致动器:
    由于晶体的宽度只要稍微有一点微小的变化就会相应的出现极高的电压,这个宽度的变化比千分尺还要精确,使得压电晶体成为用来极其准确的定位物体的最重要的工具——这就是他们在致动器中的用途。
    扬声器:电压转换为压电高分子膜的机械运动。
    压电马达:压电元件用定向力驱动一个轴,使之旋转。由于是非常小的距离,压电马达做为高精度马达从而取代步进电机。
    压电元件可用于调整激光器反射镜,由于它能够将一质量较大的物体(已安装镜片)进行微小距离的移动从而进行电子调节某些激光反射镜。通过精确地控制镜片之间的距离,激光电子学可以精确的保持激光腔内的光学条件不变从而优化光束输出。
    一个相关应用是声光调制器,该装置是晶体内声波将光散射掉,而其中声波就是由压电元件产生的。这是非常有用的微调激光的频率。
    原子力显微镜和扫描隧道显微镜采用逆压电保持传感针靠近探针。
    喷墨打印机:在某些喷墨打印机,特别是那些爱普生生产的,压电晶体是用来控制从喷墨头到纸张上墨水的流量。
    柴油发动机:高性能的共轨柴油发动机使用压电喷油器,最先由罗伯特博世有限公司研发的,替代了更常见的电磁阀装置。
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