電性、介電與鐵電陶瓷

壓電性(piezoelectricity)

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按下打火機或瓦斯烤肉爐點火器的按鈕,它會喀一聲並冒出火花——完全沒有電池。裡面是一小塊陶瓷,被猛然一擠時,會產生高到足以跳過火花間隙的電壓。這就是壓電性:某些晶體把機械力轉成電荷,而反過來運作時,則把外加電壓轉成形狀的改變。它是機械世界與電學世界之間貨真價實的雙向道,由皮耶與雅克.居里兄弟於 1880 年發現。

這個效應需要一種原子排列沒有對稱中心的晶體。在這樣的晶格中,擠壓它會使正負離子位移不等量,於是內部的小偶極子不再互相抵消,表面便出現淨電荷——這就是正效應。反過來,施加電場會使同樣那些離子位移、改變晶體的尺寸——這就是逆效應。兩者由壓電係數 d 相連:作為電荷係數,它給出單位力的電荷(皮庫侖每牛頓);作為應變係數,同一個數字給出單位電場的應變(皮米每伏特)。像普通岩鹽這種中心對稱晶體則毫無此現象,因為擠壓它仍讓電荷中心重合。

壓電陶瓷是現代元件的肌肉與神經:感測器(加速度計、麥克風、壓力計、聲納接收器)、致動器(燃油噴射器、噴墨頭、奈米定位器)、換能器(醫用超音波、聲納、超音波清洗機)、諧振器(每個時鐘裡的石英晶體、射頻濾波器)與點火器。陶瓷這一側由 PZT 主導。一個重要的誠實:壓電陶瓷是多晶的、起初並無活性,因為它的鐵電疇隨機指向、互相抵消——它必須先被極化處理來打破那個對稱。並注意家族關係:石英是壓電的、卻不是鐵電的(無法被極化或切換),而每一個鐵電體自動就是壓電的;一件極化過的壓電陶瓷若被加熱越過其居里溫度,也會喪失效應。

醫用超音波探頭是一片極化過的 PZT,同時雙向運作:一個電壓脈衝使它撓曲、把聲波發射進人體(逆效應),而反彈回來的微弱回波壓在它上面、產生微小電壓(正效應),機器再把這些電壓轉成影像。

壓電性是可逆的:同一塊陶瓷可以既當喇叭又當麥克風、既當推手又當感測器,端看你從哪個方向驅動它。

壓電不等於鐵電。所有鐵電體都是壓電的,但許多壓電體(例如石英)並非鐵電——它們有固定、不可切換的極性,也不需要極化處理。

又称
piezoelectric effect壓電效應