壓電效應及其原理
2021-02-13 芯明天資訊 壓電效應的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓，則產生機械應力（稱為逆壓電效應）。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能，這種相互對應的關係非常有意思。當壓電材料受到某個固定方向外力的作用時，內部就產生電極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去後，材料又恢復到不帶電的狀態；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；材料受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。這種現象稱為正壓電效應。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應製成的。當對壓電材料施加電場時，材料的某些方向會出現機械形變的現象，並且其形變量與外電場強度成正比，這種現象稱為逆壓電效應。用逆壓電效應製造的設備可用於超聲工程和微運動領域。 外部施加力下壓電材料產生的電荷Q或者電壓V就是正壓電效應的應用。通用常數比例變化（如壓電常數d33和Cd大小的變化）施加全部外部作用下，壓電陶瓷會對應產生電荷量Q。
Q=Cd×V=F×d33
此時輸出電壓V可由壓電材料元件的壓電常數g33、厚度t、截面積A的關係表達出來，具體見下公式：
V=F×d33/Cd=F×g33×t/A
舉例：壓電陶瓷截面積A=10×10mm2，厚度t=1mm，g33=26.5×10-3vm/N。當力F=10N時，得到輸出電壓V=2.65V。
外部施加電壓壓電材料產生形變就是逆壓電效應的應用。在應用實例中，壓電材料可以在直流或低頻交流電下運行。此時，無負荷的電位移U和施加電壓V有下列關係：
U=V×d33
V：施加電壓
d33：壓電常數
舉例：壓電陶瓷d33=635×10-12m/V，施加電壓150V，位移U=95.25nm
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