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{{NoteTA
|G1=物理学
|1=zh-cn:铁电晶体;zh-tw:鐵電晶體;
}}

[[Image:SchemaPiezo.gif|thumb|当压电效应材质的应变片，改变形状后产生电压（此为夸张的示意图）]]
'''压电效应'''（{{lang-en|Piezoelectricity}}），是[[电介质]]材料中一种[[机械能]]與[[电能]]互换的现象。压电效应有两种，'''正压电效应'''及'''逆压电效应'''。压电效应在声音的产生和侦测、高电压的生成、电频生成、{{link-en|微量天平|Microbalance}}和光学器件的超细聚焦有着重要的应用。

== 發現 ==
1880年[[皮埃爾·居里]]和[[雅克·居里]]兄弟發現[[電氣石]]具有壓電效應。1881年，他們通過實驗驗證了逆壓電效應，并得出了正逆壓電常數。1910年，[[德國]][[物理學家]]{{tsl|en|Woldemar Voigt||沃德马·沃伊特}}發表著作《晶體物理學教科書》（Lehrbuch der Kristallphysik，Textbook on Crystal Physics）。這本書描述了20種能夠產生壓電效應的自然[[晶體]]，並且用[[張量分析]]來嚴格定義壓電常數。<ref>Woldemar Voigt, [http://books.google.com/books?id=SvPPAAAAMAAJ&pg=PR1#v=onepage&q&f=false ''Lehrbuch der Kristallphysik''] {{Wayback|url=http://books.google.com/books?id=SvPPAAAAMAAJ&pg=PR1#v=onepage&q&f=false |date=20140421051401 }} (Berlin, Germany: B. G. Teubner, 1910).</ref><ref name="textbook">{{cite book|title=電子與光電子材料|author=朱建國，孫小松，李衛|publisher=國防工業出版社|location=北京|isbn=978-7-118-05244-2}}</ref>{{rp|47}}

== 兩種壓電效應 ==
[[File:Capacitor schematic with dielectric.svg|thumb|壓電效應圖解]]

=== 正壓電效應 ===
當對壓電材料施以物理壓力時，材料體內之[[電偶極矩]]會因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料相對的表面上產生等量正負電荷，以保持原狀。這種由於[[形變]]而產生[[電極化]]的現象稱為“正壓電效應”。若欲持續產生電能，須使材料振動。<ref>{{Cite web|title=壓電振能擷取簡介|url=http://homepage.ntu.edu.tw/~yichung/piezo_energy_harvesting.pdf|accessdate=|author=林蕙君、舒貽忠|date=|format=|publisher=|language=|quote=極化過的陶瓷壓電材料受力變形時，電偶極矩的密度也會改變，在材料表面產生正負電荷，此即為正壓電效應(direct piezoelectric effect)。分布不均的正負電荷建立了淨電場，意即有電勢能存在。若能在材料表面舖設電極提供自由電子，電勢能即可驅動這些自由電子產生電流。然而，電流產生的同時，材料表面的正負電荷也會漸漸中和，電勢能終將消失。因此，若欲持續地產生電能就必須使材料振動，反覆的拉伸與壓縮即可產生電性交錯的交流電。|archive-date=2020-09-15|archive-url=https://web.archive.org/web/20200915144123/http://homepage.ntu.edu.tw/~yichung/piezo_energy_harvesting.pdf|dead-url=no}}</ref>

正壓電效應實質上是機械能轉化為電能的過程。

:<math>P = d \sigma</math>

其中，<math>P</math>為晶體的[[極化強度]]，單位是<math>C/{m^2}</math>， <math>d</math>為壓電常數，單位是<math>C/N</math>，<math>\sigma</math>為[[應力]]，單位是<math>N/{m^2}</math>。

=== 逆壓電效應 ===
當在壓電材料表面施加[[電場]]（電壓），因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長。這種通過電場作用而產生機械形變的過程稱為“逆壓電效應”。逆壓電效應實質上是電能轉化為機械能的過程。

:<math>S = d_t E</math>

其中，<math>S</math>為晶體的[[应变]]，<math>d_t</math>為壓電常數，單位是<math>m/V</math>，<math>E</math>為電場強度矢量，單位是<math>V/m</math>。

=== 兩種壓電效應的關係 ===
可以證明，正壓電效應和逆壓電效應中的係數是相等的，且具有正壓電效應的材料必然具有逆壓電效應。<ref name="textbook"/>{{rp|48頁}}

=== 电致伸缩 ===
如果外界電場較強，那麼壓電晶體還會出現'''{{link-en|電致伸縮|Electrostriction}}效應'''，即材料應變與外加電場強度的平方成正比的現象。可以用以下公式給出：

:<math>S=\mu E^2</math>

其中，<math>\mu</math>為電致伸縮係數，單位是<math>m^4/{C^2}</math>。

== 材料 ==
壓電材料會有壓電效應是因[[晶格]]內[[原子]]間特殊排列方式，使得材料有[[應力]]場與[[電場]][[耦合]]的效應。根據材料的種類，壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷）、壓電聚合物和壓電複合材料四種。根據具體的材料形態，則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類。<ref name="textbook"/>{{rp|49}}

=== 壓電單晶體 ===
壓電單晶體大多數為[[鐵電性|鐵電]]晶體。另外還包括[[石英]]、[[硫化镉]]、[[氧化锌]]、[[氮化铝]]等晶体。这些铁电晶体包括：

* 含氧八面體的鐵電晶體，例如[[鈦酸鋇]]晶體、具有鈮酸鋰結構的[[鈮酸鋰]]、[[鈮酸鉭]]和具有[[鎢青銅]]結構的[[鈮酸鍶鋇]]晶體。
* 含有[[氫鍵]]的鐵電晶體，例如[[磷酸二氫鉀]]、[[磷酸二氫銨]]、和[[磷酸氫鉛]]（及[[磷酸氘鉛]]）晶體。
* 含層狀結構的[[鈦酸鉍]]晶體等。

目前應用最廣泛的非鐵電性的石英壓電晶體、鐵電型壓電晶體鈮酸鋰和鈮酸鉭等。<ref name="textbook"/>{{rp|49頁}}

=== 壓電多晶體（壓電陶瓷） ===
陶瓷的壓電性質最早是在鈦酸鋇上發現的，但是由於純的鈦酸鋇陶瓷[[燒結]]難度較大，且[[居裡點]]（120℃左右）、室溫附近（5℃左右）有[[相變]]發生，即使改變其摻雜特性，其壓電性仍然不高。1950年左右發明的[[鋯鈦酸鉛]]（簡稱：PZT）則是迄今為止使用最多的壓電陶瓷。<ref name="textbook"/>{{rp|49}}

=== 壓電聚合物 ===
早在1940年，[[蘇聯]]就曾發現木材具有壓電性。之後又相繼在[[苧麻]]、[[絲竹]]、動物骨骼、皮膚、血管等組織中發現了壓電性。1960年發現了人工合成的高分子聚合物的壓電性。1969年發現電極化后的[[聚偏二氟乙烯]]具有較強的壓電性。具有較強壓電性的材料包括[[聚偏二氟乙烯|PVDF]]及其共聚物、[[聚氟乙烯]]、[[聚氯乙烯]]、[[聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯]]和{{link-en|尼龍-11|Nylon_11}}等。<ref name="textbook"/>{{rp|63}}

=== 壓電複合材料 ===
壓電複合材料是由兩種或多種材料複合而成的壓電材料。常見的壓電複合材料為壓電陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活環氧樹脂）的兩相複合材料。這種複合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實現聲阻抗匹配。<ref name="textbook"/>{{rp|65}}。此外，壓電複合材料還具有壓電常數高的特點。壓電複合材料在醫療、傳感、測量等領域有著廣泛的應用。

== 參考文獻 ==
{{reflist}}

== 相關標準 ==
*ANSI-IEEE 176 (1987) Standard on Piezoelectricity
*IEEE 177 (1976) Standard Definitions & Methods of Measurement for Piezoelectric Vibrators
*IEC 444 (1973) Basic method for the measurement of resonance freq & equiv series resistance of quartz crystal units by zero-phase technique in a pi-network
*IEC 302 (1969) Standard Definitions & Methods of Measurement for Piezoelectric Vibrators Operating over the Freq Range up to 30&nbsp;MHz

== 相關條目 ==
* [[電介質]]
* [[陶瓷材料]]
* [[機電耦合係數]]

== 外部連結 ==
*[http://only-perception.blogspot.com/2008/02/blog-post_9843.html 奈米纖維發電衣 走動就來電] {{Wayback|url=http://only-perception.blogspot.com/2008/02/blog-post_9843.html |date=20200919010157 }}，載中時電子報，2008年2月15日
*{{En icon}}[http://www.piezo-ceramic.com/  Piezoelectric Ceramic] {{Wayback|url=http://www.piezo-ceramic.com/ |date=20200215125950 }}

{{居禮夫婦}}
{{DEFAULTSORT:Y}}
[[category:凝聚体物理学]]
[[Category:电现象]]
[[Category:换能器]]
[[Category:能量采集]]