正压电效应

定义

正压电效应是指对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化，从而使其表面出现电荷集聚的现象。外力去除后，介质重新恢复到不带电状态，机械能转变为电能。

石英晶体的压电效应机理

石英晶体（SiO₂）是单晶体，内部由硅离子 Si⁴⁺ 和氧离子 O²⁻ 组成。在 xy 平面上的投影等效为正六边形，正负离子分布于顶点，形成三个互成 120° 夹角的电偶极矩。未受力时，正负电荷重心重合，电偶极矩矢量和为零，晶体呈电中性。

当沿 x 轴（电轴）施加压力时，晶体沿该方向压缩变形，正负离子相对位置变动，两个正三角形的重心不再重合，在 x 轴上方出现负电荷，下方出现正电荷。若施加拉力，则电荷极性相反。

当沿 y 轴（机械轴）施加压力时，晶体沿该方向压缩变形，正负电荷重心分离，在 x 轴上方出现正电荷，下方出现负电荷。若施加拉力，则电荷极性相反。

当沿 z 轴（光轴）施加压力或拉力时，晶体在 x 和 y 方向产生完全相同的形变，正负电荷重心仍保持重合，因此不产生压电效应。

电荷量与力的关系

沿 x 轴方向施加作用力 f_x 时，在 yz 平面上产生的电荷量为：
$q_x=d_{11}{f}_x$
其中，d₁₁ 为 x 方向受力的压电系数（单位：C/N），f_x 为沿 x 轴方向的作用力（单位：N）。电荷 q_x 的符号视 f_x 为压力或拉力而定。沿电轴方向作用力时，产生的电荷量与切片几何尺寸无关。

沿 y 轴方向施加作用力 f_y 时，仍在 yz 平面上产生电荷，但极性方向相反，其大小为：
$q_y=d_{12}\frac{a}{b}{f}_y=-d_{11}\frac{a}{b}{f}_y$
其中，d₁₂ 为 y 方向受力的压电系数（石英轴对称，d₁₂ = -d₁₁），a 为切片长度，b 为切片厚度，f_y 为沿 y 轴方向的作用力。沿机械轴方向作用力时，产生的电荷量与切片几何尺寸有关：切片越长、越薄，产生的电荷量越多。式中的负号表示沿 y 轴的压力（或拉力）所引起的电荷极性与沿 x 轴的压力（或拉力）所引起的电荷极性相反。

压电陶瓷的正压电效应

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。未经极化的压电陶瓷内部晶粒极化方向杂乱，极化效应相互抵消，呈电中性，不具有压电性质。经强直流外电场极化后，晶粒极化方向趋向一致，去掉外电场后仍保留剩余极化，此时材料具有压电特性。

当压电陶瓷受到与极化方向平行的外力时，产生压缩变形，片内束缚电荷距离变小，电畴偏转导致极化强度减小，部分自由电荷被释放，出现放电现象。压力撤消后，陶瓷片恢复原状，正负电荷距离变大，极化强度增大，电极重新吸附部分自由电荷，出现充电现象。

逆压电效应

在片状压电材料的两个电极面上施加交流电压，压电片将在电极方向上产生伸缩变形，从而产生机械振动，这种现象称为逆压电效应。逆压电效应将电能转变为机械能，说明压电效应具有可逆性。逆压电效应与电致伸缩效应是两种不同的机电耦合机制：逆压电效应在小信号下表现为电场—应变的一阶（线性）耦合，而电致伸缩效应主要为应变的二次（平方）耦合，二者不应混同。

应用关系

基于正压电效应可制成机械能的敏感器（检测器），即压电式传感器。当有力作用于压电材料上时，传感器就有电荷（电压）输出。压电式传感器是典型的有源传感器。基于逆压电效应可制成电激励的致动器（执行器）。在无损检测中，激励器基于逆压电效应激发振动，传感器基于正压电效应接收信号，通过对比无损波形与有损波形可识别结构破损。