2022-2023学年高二物理竞赛课件：压电效应的基本现象

压电效应的基本现象 1 2 当晶体受到x方向的压力Fx作用时，晶体在x方向被压缩，如图4-6b所示。这时由Si4+与O2-所形成的电偶极矩大小不等，相互之间夹角也不等于120了，如图4-7b所示。 压电效应的基本现象 3 由于这些电偶极矩在x方向上的分量和不等于零，在y方向上的分量和仍等于零，所以晶体在x面上出现电荷，即晶体在x方向出现正压电效应。同理，当晶体在x方向受到张力Fx作用时，晶体在x方向被拉伸，如图4-6c所示，这时电偶极矩在x方向上的分量和也不等于零，在y方向上的分量和仍等于零，如图4-7c所示，所以晶体在x面上出现电荷（电荷的符号与压缩时相反），即晶体在x方向出现正压电效应。 4 图4-7 由-石英晶体的硅原子和氧原子所形成的电偶极矩分布图 5 在了解—石英晶体的压电效应的机制之后，再回过头来讨论—石英晶体的对称性与压电效应之间的关系 。 —石英晶体是属于三方晶系32点群，它的z轴是三阶轴，x轴是二阶轴。当晶体绕x轴转180后，z-z，y-y，但晶体的介电性质、弹性性质和压电性质都保持不变。如果，在z轴方向存在电偶极矩，则当晶体绕x轴转180后，电偶极矩的方向就会从+z方向变为-z方向，于是晶体的性质就发生了变化。 6 这是与x轴是二阶轴的对称性要求相违背的，所以在z轴方向上电偶极矩等于零。而x轴的情况与z轴不一样，在x轴方向上可以存在电偶极矩。因为晶体的x轴是选定与晶体的a轴重合的，当晶体绕z轴转120或240后，x轴与另外两个电偶极矩重合，晶体的性质不会发生任何变化。如图4-8所示 7 图4-8 8 由此可见，x轴方向上存在电偶极矩与z轴是三阶轴的对称性要求不矛盾；与x轴是二阶轴的对称性要求不矛盾，就是说，属于32点群的晶体，在其xy平面内，可以存在三个大小相等，互成120夹角的偶极矩。这是根据32点群晶体的对称性得到的结论。 9 当晶体受到应力T1或T2作用时，晶体在x方向、y方向和z方向都要产生伸长或缩短的形变。因为z方向的伸缩形变不能改变z方向电偶极矩等于零的状态，所以在z方向不出现压电效应，这就要求—石英晶体的压电常数：d31=0，d32=0。 10 因为x方向的伸缩形变，能使P’、P”、P’’’在x方向的分量发生变化（例如形变前P’、P”、P’’’在x方向的分量和等于零，形变后在x方向的分量和不等于零），因而在x方向产生压电效应，这就要求—石英晶体的压电常数：d110，d120。 11 因为y方向的伸缩形变，不能改变P’、P”、P’’’在y方向的分量和等于零的状态，所以y方向的伸缩形变对压电效应无贡献，这就要求压电常数：d21=0，d22=0。当晶体受到应力T3作用时，晶体在z方向和x、y 方向也要产生伸长或缩短的形变，因为z方向的伸缩对压电效应无贡献，故压电常数d33=0。 因为T3作用在x、y 方向产生相同的伸缩，不能改变原来P’、P”、P’’’的矢量和为零的状态，对压电效应无贡献，故压电常数d13=0，d23=0。 12 图4-9 钛酸钡晶体的晶胞， 钡离子，氧离子，钛离子，晶胞参数a=b, c>a $