材料的電性質

壓電材料

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壓電材料(piezoelectric material)把機械擠壓變成電,也把電變成機械運動,是力與電壓之間的雙向橋樑。壓它或彎它,它兩端就出現電壓;施加電壓,它就實際改變形狀,微微伸長或收縮。這個字源自希臘文 piezein,意為「壓」。石英、鈦酸鋇,以及主力陶瓷 PZT(鋯鈦酸鉛)是經典例子。

機制藏在晶體的對稱性中。在壓電晶體裡,正負離子的排列使結構沒有對稱中心。靜止時正電荷中心與負電荷中心重合,所以沒有淨極化。但一擠壓晶體,離子就不均等地位移,把那兩個電荷中心分開,在材料上產生淨偶極,也就是電壓。把效應反過來跑:施加電壓,離子被推開或拉近,晶體就產生應變。這效應很小(應變為百分之零點幾),卻快速、精確且可重複。許多有用的壓電體同時也是鐵電體(ferroelectric),帶有可被重新定向的內建極化;它們在製造時被強電場「極化定向(poling)」,使內部偶極對齊、把效應開啟。

這種力轉電荷的轉換無處不在。石英晶體在被電驅動時以精確頻率振動,為手錶計時。壓電點火器在你按下按鈕擠壓晶體時,替瓦斯爐點火花。超音波掃描與聲納用壓電元件發出聲脈衝、再感測微弱的回聲。壓電致動器把光學元件與噴墨噴嘴定位到奈米精度。誠實的提醒:壓電性需要非中心對稱的晶體,所以隨機取向或中心對稱的材料完全不顯壓電;效應會在溫度接近材料的居禮溫度(Curie temperature)時消退,超過該溫度有用的結構就消失;而 PZT 含鉛,正促使人們積極尋找無鉛替代品。

瓦斯爐點火器是純粹的壓電:按下按鈕使彈簧驅動的擊錘敲上一小塊 PZT 晶體,這突然的擠壓瞬間在它兩端產生數千伏特,該電壓以火花跳出、點燃瓦斯。把同一塊晶體反過來用,以振盪電壓驅動它,它就會振動,這正是同一類材料製造超音波與蜂鳴器的原理。

擠壓生電壓;電壓生應變。非中心對稱的晶體雙向轉換。

壓電性需要一種缺乏對稱中心的晶體,並非每種陶瓷或晶體都符合。它也與焦電、鐵電效應不同,這幾者重疊但不相同:所有鐵電體都是壓電體,但並非所有壓電體都是鐵電體(石英是壓電體卻不是鐵電體)。

又称
piezoelectricpiezo material壓電體