第三章 压电、热电、铁电.pptVIP

热释电效应应用 3.5 铁电性 3.5.1 铁电体和电畴 * 压电性、热释电性、铁电性材料除了具有一般电介质的性质，还有一些奇异的介电性能，应用于传感器、驱动器、红外探测、声学等重要方面。这都跟这些材料的极化相关。 3.4 压电性和热释电性 3.4.1 压电性（piezoelectricity） 本章关键词：极化 一般性质的电介质，可作为绝缘材料、电容器材料、封装材料。 1880年，居里兄弟（Piere.Curie and Jcaques.Curie)发现，对α－石英单晶体在一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的平面上出现正负束缚电荷。后来称之为压电效应。 一般电介质的极化都是外电场的作用，压电晶体的极化 是由于压力，或者准确的说是由于压力造成的晶体形变 一、实验揭示的正压电效应 当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面束缚产生束缚电荷，其电荷密度的大小与所加应力的大小成线性关系。这种由机械能转换成电能的过程，称为正压电效应。 对比电磁发电机和电动机，其原理是电磁作用实现机械能和电能的转换，而压电晶体实现机械能和电能的相互转换是通过压电效应 逆压电效应：当晶体在外电场激励下，晶体的某些方向上产生形变（或谐振） 压电现象的产生是跟晶体特殊的晶体结构密切相关，解释应该用热力学分析，但是比较困难，后面将作简单定性解释。 以实验的方法给出压电现象的数学描述，这种描述不体现出物理本质 1、在x方向上的两个晶面被上电极，接冲击电流计测量电荷密度 用一小块压电晶体（正方体）研究一下 采用如图所示共六种（三种拉压应力，三种切应力）加应力的方式，然后测试是否出现压电效应，表面是否出现束缚电荷，面密度σ＝D电位移 （1）在x方向上加应力T1（N/m2）,得到束缚电荷密度 σ＝D（C/m2），引入一个新的物理量d11，称为压电应变常量 用数学描述如下： 前1表示1（x）方向产生的束缚电荷，后1表示1（x）方向上的应力 （2）在y方向上加应力T2,得到 （4）在晶体与yz平面平行的两个平面上施加切应力T4, 得到 （3）在z方向上加应力T3,没有测得束缚电荷密度，得到 注意：冲击电流计没有换地方 注意：冲击电流计没有换地方 注意：冲击电流计没有换地方 （5）（6）类似（4）施加切应力T5, T6 得到 这两种应力也没有产生压电效应 根据上述实验，冲击电流计接在x方向上不变，然后采用六种应力方式折磨该单晶体，共有三种方式取得效果，获得了有价值的东西－束缚电荷，观察到压电现象。数学描述如下： 2、 冲击电流计换地方，接在y方向上不变，然后采用六种应力方式折磨该单晶体，共有二种方式取得效果，获得了有价值的东西－束缚电荷，观察到压电现象。数学描述如下： 3、 冲击电流计再换地方，接在z方向上不变，得到： 表明无论怎样变换花样，z方向没有出现束缚电荷 以上正压电效应可以写成求和方式 式中m为电学量，j为力学量 采用矩阵表示 从以上实验结果分析，压电应变常量是有方向的，而且是具有张量性质，属于三阶张量(角标为三个，写成一个三维矩阵)， 把自变量应力T改为应变S e为压电应力常量 二、逆压电效应 以应力作用在晶体而产生束缚电荷，如果以电场作用在晶体上，则在相关方向上产生应变，而且应变大小与所加电场在一定范围内有线性关系。这种由电能转变为机械能的称为逆压电效应 物理上有正逆压电效应，数学上对应正逆矩阵 或者 以矩阵形式表示 形变和电场的关系 应力和电场的关系 逆压电效应数学描述如上述矩阵 电致伸缩：任何电介质在外电场的作用下都会发生尺寸变化 在任何物质都会发生，只是有些晶体现象比较明显 三、电致伸缩 克隆细胞用的微位移探针 应变 一维电致伸缩数学描述如下 电致伸缩陶瓷PZN（锌铌酸铅陶瓷）与压电陶瓷相当 电致伸缩 逆压电效应 E 四、晶体压电性产生原因 α－石英单晶体属于离子晶体三方晶系、无中心对称的32点群 1、x方向 纵向压电效应 2、y方向 横向压电效应 3、z方向 无压电效应 带电离子总是保持初始的 正负电荷重心重合重合状态 原因：跟晶体结构密切相关 （1）属于电介质，结构有正负电荷点（离子），离子晶体 （1）外力可以改变其对称中心结构，即外力引起极化 压电材料的主要表征参数 压电晶体属于电介质，具有一般电介质所有的性质：介电常量、介质损耗等、介质击穿强度等 其特有参量如下 1、压电常量 压电常量是张量，表征压电晶体产生束缚电荷的能力 2、机械品质因数 振动一周存储的机械能 振动一周损耗机械能 谐振换能器：逆压电效应产生机械谐振，称为压电振子，Q值应该较高 应用：石英表（对比机械表的机械振子） 3、机电耦合系数 （1）综合反应了材料的性能 （