电磁学课程报告

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1、4/4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4/4电磁学课程报告光信二班金慧凝一、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

2、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

3、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

4、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

5、说：以上内容参考《大学物理实验》哈尔滨大学出版社4/4电磁学课程报告光信二班金慧凝（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

6、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

7、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

8、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