壓電現象是一種特殊的物理現象，發生在一些特定的晶體物質中，這些晶體被稱為鐵電體。在這種現象中，當晶體受到外部壓力時，會在其表面產生電荷，從而將機械能轉化為電能。反之，如果在晶體上施加電場，則會導致晶體發生形狀變化，即逆壓電效應。這一現象在現代科技領域有著廣泛的應用，特別是在便攜式電話、噴墨打印機和掃描隧道顯微鏡等領域。
物理原理
壓電現象主要出現在晶體分子排列不對稱的材料上。這個術語由“壓力”和“電機”兩詞組成，暗示了這兩個因素之間的相互作用。通常情況下，當向壓電晶體施加壓力時，晶體的某些表面會帶上電荷，這被稱為壓電效應。另一方面，由于晶體內部正負電荷中心的位置發生變化，導致晶體發生振動變形，這種現象則被稱為逆壓電效應。在陶瓷材料中也發現了類似的壓電現象。
應用
壓電現象在許多實際應用中發揮著重要作用。通過利用壓電材料的特性，可以設計出能夠實現電能與機械能之間轉化的驅動器。此外，壓電材料還可以用于制造力敏元件，以測量各種物理量，包括力及其相關的能量轉換。壓電效應的可逆性質使得在壓電材料的一個特定方向上施加電場時，材料會發生變形。
分類
壓電現象可分為正壓電效應和逆壓電效應兩類。正壓電效應指的是當晶體受到某個固定方向的外力時，晶體內部會出現電極化現象，并且在其兩個表面上產生符號相反的電荷。當外力撤去后，晶體會恢復到無電狀態。當外力的方向改變時，產生的電荷極性也會隨之改變。晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。大多數壓電式傳感器都是基于正壓電效應而設計的。逆壓電效應則是指當晶體受到交流電場的影響時，晶體本身會發生機械變形的現象，也稱為電致伸縮效應。這種效應常用于電聲學和超聲波工程。壓電晶體是各向異性的，壓電敏感元件的受力變形有五種基本形式：厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型和平面切變型。需要注意的是，并非所有晶體都能在這5種狀態下產生壓電效應，不同的晶體在不同形態下的壓電效應表現可能有所不同。例如，石英晶體沒有體積變形壓電效應，但在厚度變形和長度變形方面表現出色。
參考資料 >
壓電效應基礎知識解析.百家號.2024-11-21
壓電效應.知乎專欄.2024-11-21
鐵電材料領域重大突破.西安交通大學.2024-11-21