[科普中国]-机电效应

机电效应又称压电效应，机电耦合效应。外力加载到压电体上，外力使晶体形变，通过压电效应把输入的部分机械能量转换为电能，外力所做的机械功只有一部分弹性能形式储存在压电体中，另一部分转化为电能；对压电体加上电场，通过逆压电效应把输入的电场能一部分以电能的形式储存在压电体中，其余部分转换为机械能。

来源压电效应最早是在1880年由法国的物理学家P.居里和J.居里兄弟发现的。当他们在研究石英晶体的物理性质时发现在离子性的晶体中，正离子和负离子有规则地交错配置，构成结晶点阵。从而形成了固有电矩，在晶体表面出现了异号极化电荷，如果将晶体暴露在空气中，经过一定的时间后，这些电荷便被从空气中降落到晶体表面上的异号离子中和，因此极化面电荷和电矩都不会显现。但当石英晶体发生机械形变时，晶格就会发生改变。电矩也随之产生变化，表面极化电荷数值也发生改变。于是，表面上正电荷或负电荷都有了可以测出的增量增加或减少，这种增量就是压电效应产生的电量。1

晶振晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。2

晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电...的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。2

机电耦合系数压电振子在振动过称中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示压电体中机械能与电能之间相互变换程度的一个参数就称为机电祸合系数，它是衡量压电转换性能优劣的一个综合物理量。1

机电藕合系数值主要由压电材料的种类确定，还与压电发电装置的结构、振动模式以及压电振子的制作尺寸和支撑方式有关。压电材料的机电祸合系数在不同的适用场地有不同的需求，在本文中制作压电换能器时，选取的压电材料机电藕合系数越大越好。

其中，k是机电耦合系数；UI是相互作用能密度；UM是弹性能密度；UE是介电能密度。

常见的机电耦合系数有：

1、平面机电耦合系数kP：反映薄圆片沿厚度方向极化和电激励，作径向伸缩振动时机电耦合效应的参数

2、横向机电耦合系数K31：反映细长条沿厚度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数。

3、纵向机电耦合系数K33：反映细棒沿长度方向极化和电激励，作长度伸缩振动的机电耦合效应的参数。

4、厚度伸缩机电耦合系数KT：反映薄片沿厚度方向极化和电激励，作厚度方向伸缩振动的机电效应的参数。

5、厚度切变机电耦合系数K15：反映矩形板沿长度方向极化，激励电场的方向垂直于极化方向，作厚度切变振动时机电耦合效应的参数。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所