電性、介電與鐵電陶瓷

正壓電效應(direct piezoelectric effect)

正壓電效應是壓電性中「機械轉電」的那一半:擠壓晶體,它就產生電荷。這正是居里兄弟在 1880 年最先觀察到的效應,也是每當壓電體充當感測器或火花發生器時運作的那一個——一按它,就冒出電壓。

對一件極化過的壓電陶瓷施加機械應力 T,它會產生一個與應力成正比的電位移(單位面積的表面電荷):D = d 乘 T,其中 d 是壓電電荷係數,單位為庫侖每牛頓。從物理上看,應力在非中心對稱晶體中把正、負次晶格推移了不等的量,於是一種符號的束縛電荷出現在一面、相反符號出現在另一面。若你讓電極開路而不量電荷,這些電荷便跨在材料本身的電容上、以電壓的形式顯現;此時相關的數字是壓電電壓係數 g,等於 d 除以介電率。一個施在剛硬陶瓷上的微小力,能產生驚人地大的開路電壓——在瓦斯點火器中,大到足以擊穿一公分的空氣。

正效應驅動了瓦斯點火器、加速度計與振動感測器、力與壓力計、接觸式麥克風、聲納與超音波的接收側,以及從振動中撿拾能量的壓電能量收集器。一個誠實的限制界定了它的用法:它產生的電荷會透過任何有限電阻緩慢漏掉,所以壓電感測器對變動或動態負載有反應,卻無法忠實量測真正靜態(直流)的力——把一個固定重量壓在它上面,訊號會衰減到零。這正是為什麼壓電感測器要用電荷放大器讀取,也是為什麼它不適合用來量測穩定不變的負載。

壓電瓦斯點火器完全靠正效應運作:一個彈簧擊錘敲擊一小段 PZT 圓柱,瞬間的應力在它兩端產生數千伏特,這電壓跳過火花間隙點燃瓦斯——從頭到尾沒有電池。

力進、電荷出:正效應讓壓電體成為發電機與感測器,但只對變動的負載有效,因為電荷留不住。

壓電感測器無法量測真正靜態的力。產生的電荷會經由有限的漏電阻流失,所以一個持續不變的負載會讀成一個朝零衰減的訊號——壓電體本質上是動態感測器。

又稱
generator effectsensor effect正效應發電效應