超聲波流量計(jì)探頭及換能器原理  七十八

§5.2 壓電效應(yīng)的定性解釋

實(shí)驗(yàn)表明，在一定限度內(nèi)的壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)是線性的。這就是說(shuō)，在壓電效應(yīng)時(shí)，壓電晶體表面電荷密度與應(yīng)變的大小成正比，當(dāng)應(yīng)變改變符號(hào)時(shí)，電荷也改變符號(hào)，在逆壓電效應(yīng)時(shí)，壓電晶體在外電場(chǎng)作用下應(yīng)變的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，當(dāng)電場(chǎng)反向時(shí)，應(yīng)變也反向。但是，如果外加電場(chǎng)或應(yīng)力過大時(shí)，所出現(xiàn)的壓電效應(yīng)及其逆效應(yīng)則呈現(xiàn)非線性關(guān)系。

1.壓電單晶材料的壓電效應(yīng)

壓電晶體具有電矩，而且原子核離子的排列結(jié)構(gòu)都是非中心對(duì)稱的（因而存在各向異性），這樣的晶體在受到應(yīng)力時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。我們首先以硫化鋅（ZnS）的晶體結(jié)構(gòu)為例。

硫化鋅晶體是按正四面體結(jié)構(gòu)上下左右連續(xù)排列的，就一個(gè)四面體來(lái)看，鋅原子位于四面體頂端，硫原子位于中心。在這種結(jié)構(gòu)中，鋅原子這邊帶正電，硫原子那邊帶負(fù)電，正負(fù)電荷中心不重合，形成硫-鋅電矩，但四面體結(jié)構(gòu)中a、b、c、d四個(gè)電矩互相平衡，總電矩為零，因此對(duì)外不表現(xiàn)電場(chǎng)。當(dāng)假定沿a軸方向?qū)�晶體施加應(yīng)力時(shí)，b、c、d三個(gè)電矩受到轉(zhuǎn)向力，使它們和a電矩的夾角發(fā)生變化，結(jié)果減少了b、c、d三個(gè)電矩在a方向上的分量，三分量之和不再能抵消a電矩，于是在a方向上得到不等于零的靜電矩，從而產(chǎn)生了電場(chǎng)，即有了壓電效應(yīng)。

當(dāng)對(duì)該晶體施加外電場(chǎng)時(shí)，晶體中的電矩將改變數(shù)值及轉(zhuǎn)向，從而使晶體的形狀（例如長(zhǎng)度）發(fā)生變化，即呈現(xiàn)出逆壓電效應(yīng)。

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