電性、介電與鐵電陶瓷
逆壓電效應(converse piezoelectric effect)
逆壓電效應是壓電性中「電轉機械」的那一半:在晶體兩端施加電壓,它就改變形狀——伸長或縮短一個微小而可控的量。這正是每當壓電體充當致動器或運動來源時運作的那一個,也是每套超音波與聲納系統的發射側,與正(感測)效應互為對應。
在一件極化過的壓電陶瓷兩端施加電場 E,它會產生一個與電場成正比的應變(長度的相對變化):S = d 乘 E,其中 d 正是主宰正效應的同一個壓電係數——熱力學迫使這兩個係數必然相等。從物理上看,電場把帶電離子推到新位置,整個晶格便改變尺寸。應變很小,典型約 0.1%,所以一公分的陶瓷只動約十微米;但這段運動很快、極為精確(可達次奈米解析度),並能以很大的力推動。要在不高的電壓下取得有用的行程,製造者把數百層薄層共燒成一個多層致動器,讓每層的小應變累加起來。
逆效應驅動了柴油與汽油燃油噴射器、噴墨列印頭、相機自動對焦與光學防手震、原子力顯微鏡與奈米定位平台、超音波清洗機與熔接機、蜂鳴器與壓電喇叭,以及醫用超音波的發射脈衝。它也(比較不受歡迎地)是第二類陶瓷電容「唱歌」的原因——交流電壓使它發出可聞的振動。一個誠實的提醒:位移很小且並非完美線性——它有磁滯與潛變,所以精密定位需要閉迴路回授——而若把電場推得太高,疇會切換、陶瓷會去極化或龜裂,所以致動器都在安全電場內驅動,並最好維持在壓縮狀態。
許多手機相機的自動對焦用的是一個微小的壓電致動器:透過逆效應施加的電壓,以對焦所需的速度與可重複性,把鏡頭推移幾微米,其封裝遠比馬達加齒輪來得小。
電壓進、運動出:逆效應讓壓電體成為快速、精確、有力的致動器——代價是行程非常小。
正效應與逆效應的係數是同一個數字 d,不是兩個獨立的性質。一個好的感測陶瓷,依同樣的量度就是一個好的致動陶瓷;你不可能只有其一而無其二。
又称
另见