压电效应解析ppt课件.ppt

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1、第二部分压电效应与压电方程PiezoelectriceffectPiezoelectricequations1压电效应的基本现象压电常数的引入石英晶体的压电效应钛酸钡晶体的对称性与压电性压电常数与对称性确定独立压电常数的数目主要内容2压电性质反映了晶体介电特性和弹性特性之间的相互耦合。压电晶体的特点：具有压电效应。铁电晶体——特指压电晶体中具有自发式极化且自发极化方向能随外施电场方向的改变而转向的一类晶体。描述晶体的介电特性：用介电常数(极化率)描述晶体的弹性特性：用弹性常数3描述压电晶体的压电性质：用压电常数压电常数(压电系数)是表征压电体的弹性

2、效应和极化效应相互耦合关系的宏观物理量。授课思路认识正、逆压电效应了解压电晶体正、逆压电效应的表示方法了解晶体对称性与压电常数的关系4§4-1压电效应的基本现象通俗来说:压电效应是指材料在压力作用下产生电信号的效应;或者在电场作用下,材料发生机械形变的现象。压电效应有严格的定义，上述说法只是一个简单直观描述。压电效应由压电方程描写；材料的压电性由压电常数决定。51.压电效应的概念可分为正压电效应和逆压电效应某些介电体在机械力作用下发生形变，使介电体内部正负电荷中心相对位移而发生极化，以致晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比。这

3、种由“压力”产生“电”的现象——称为正压电效应。6如果将具有压电效应的介电体(压电晶体)置于外电场中，电场作用使介电晶体内部正负电荷中心位移，而这一位移导致晶体产生形变。这种由“电”产生“机械变形”的现象——逆压电效应。实线代表晶片形变前的情况虚线代表晶片形变后的情况72.什么样的晶体才具有压电效应？晶体的介电常数、弹性常数与晶体的对称性密切相关。同样，压电常数与晶体的对称性也密切相关。因此不是从压电晶体上随意切下一块晶片，就能做压电元件，而是要根据该压电晶体的压电常数来设计晶片的切割。8晶体是否具有压电效应是由晶体本身结构决定的。实验证明，凡是具

4、有对称中心的晶体，都不可能具有压电效应。因为压电效应是当压电晶体受到外力作用下而发生形变时引起带电粒子的相对位移(偏离平衡位置)，从而使晶体的总电矩发生改变，造成在它的某些表面上出现与外力成线性比例的电荷积累。所以，具有对称中心的晶体受外力作用后内部发生均匀形变，外力作用并不能破坏正负电荷中心对称的排列形式，即外力作用并不能使这一类晶体的正负电荷重心之间发生不对称的相对位移，也就无法使之极化，故没有压电效应。9①以一维点阵为例应变前，质点等间距对称排列应变后，质点间距离增大，但质点排列仍然是等间隔的对称排列，所以不产生电矩，无压电效应。10②石英晶

5、体的压电效应以—石英晶体为例：因为在1880年法国的居里兄弟就发现了—石英晶体的压电效应，是最早发现的压电晶体，也是目前最好的和最重要的压电晶体之一。α-石英是历史悠久、性能稳定、应用相当广泛的一种压电晶体。在通信、导航、广播、时间标准、频率标准、超声水声以及医疗卫生等电子设备中，都有压电石英器件。—石英晶体的最大特点是：性能稳定，频率温度系数低(可做到频率温度系数接近于零)，在通讯技术中有广泛地应用。11硅原子和氧原子在z平面上的投影位置，以及由于在x方向上受到压力或张力作用时，产生正压电效应的示意图α－石英晶体(SiO2)能产生压电效应，

6、是与石英晶体内部结构分不开的。组成α—石英晶体的硅离子Si4+与氧离子O2-在垂直于晶体z轴的xy平面(或称为z平面)上的投影位置。12当晶体未受力的作用时，Si与O离子在xy平面上的投影，正好分布在六角形的角顶点上，这时由Si与O所形成的电偶极矩大小相等，相互间夹角为120°。由于这些电偶极矩的矢量和等于零，因此晶体表面不出现电荷。当晶体受到沿x方向的压力作用时，晶体在x方向被压缩，这时由Si与O所形成的电偶极矩大小不等，相互间的夹角也不等于120°，因此这些偶极矩在y方向的分量和等于零，而在x方向的分量和不等于零，所以晶体在x面上出现电荷。即晶

7、体在x方向出现压电效应。同理，当晶体在x方向受到张力F作用时，晶体在x方向被拉伸，这时电偶极矩在y方向的分量和仍然等于零，而在x方向的分量和不等于零，所以晶体在x面上出现电荷。即晶体在x方向同样出现压电效应。13③逆压电效应1881年，根据能量守恒和电学守恒，用热力学的方法证明，具有正压电效应的晶体，也一定具有逆压电效应，二者一一对应。如果将压电晶体置于外电场中，由于电场的作用，引起晶胞中正负电荷重心位移，形成新的电矩，使晶胞参数发生改变，使压电晶体发生形变(宏观上表现为晶体外形尺寸的变化)，而形变的大小与外电场的大小成正比，当电场撤除后，形变也消

8、失了。这种由于电场的作用而使压电晶体产生形变的现象，称为逆压电效应。14具有对称中心的电偶极矩分布具有对称中心的晶体是非压