超声波流量计探头及换能器原理  七十八

§5.2 压电效应的定性解释

实验表明，在一定限度内的压电效应与逆压电效应是线性的。这就是说，在压电效应时，压电晶体表面电荷密度与应变的大小成正比，当应变改变符号时，电荷也改变符号，在逆压电效应时，压电晶体在外电场作用下应变的大小与电场强度成正比，当电场反向时，应变也反向。但是，如果外加电场或应力过大时，所出现的压电效应及其逆效应则呈现非线性关系。

1.压电单晶材料的压电效应

压电晶体具有电矩，而且原子核离子的排列结构都是非中心对称的（因而存在各向异性），这样的晶体在受到应力时必然会产生电场。我们首先以硫化锌（ZnS）的晶体结构为例。

硫化锌晶体是按正四面体结构上下左右连续排列的，就一个四面体来看，锌原子位于四面体顶端，硫原子位于中心。在这种结构中，锌原子这边带正电，硫原子那边带负电，正负电荷中心不重合，形成硫-锌电矩，但四面体结构中a、b、c、d四个电矩互相平衡，总电矩为零，因此对外不表现电场。当假定沿a轴方向对晶体施加应力时，b、c、d三个电矩受到转向力，使它们和a电矩的夹角发生变化，结果减少了b、c、d三个电矩在a方向上的分量，三分量之和不再能抵消a电矩，于是在a方向上得到不等于零的静电矩，从而产生了电场，即有了压电效应。

当对该晶体施加外电场时，晶体中的电矩将改变数值及转向，从而使晶体的形状（例如长度）发生变化，即呈现出逆压电效应。

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