压电是如何工作的：完整的终极指南
压电是如何工作的：完整的终极指南
压电技术是现代电子设备中不可或缺的关键技术之一，广泛应用于传感器、电源、电机和执行器等领域。本文将为您详细介绍压电效应的工作原理、类型、材料及其在现代技术中的应用，帮助您全面了解这一神奇的物理现象。
压电的工作原理
压电是两个法国科学家的兄弟雅克和皮埃尔居里创造的一个术语。在发现对两个石英（或某些晶体）施加压力后会产生电荷。Piezo 来自希腊语 'piece in,’ 表示挤压或按压。因此，压电的意思是“挤压电力”。即挤压两个晶体产生电能。压电晶体有助于将机械（声能）转化为电气设备可以解释的电信号。
该技术目前正处于快速发展阶段。许多公司目前正在利用这种现象作为更先进技术的基础。例如，新的陶瓷音频换能器是压电的创意。
什么是压电效应？
压电效应图。
压电效应是将两种特定材料挤压在一起以产生电流的能力。对这些材料施加机械应力有助于在材料上产生交替的负电荷和正电荷，从而产生活跃的电场。
然而，压电的这种独特特性也是可逆的。呈现正压电效应的材料也可以呈现逆压电效应。
逆压电效应在涉及声音产生、检测和分布的许多领域都有帮助。还包括微量天平、点火源力学、电子频率产生、高压产生等。
直接压电效应
如前所述，挤压压电晶体会产生压电性。
在插图中，当您将不导电的压电材料放置在两个金属板之间并将它们挤压或压缩在一起时，它们会产生电流。金属板充当该电流的发射器。
产生的电流会产生电流——称为压电效应。
逆压电效应
当您施加直流电压以使压电材料膨胀或收缩时，您会产生逆压电。因此，这会产生逆压电效应——将电能转化为机械能。
利用这种方法有助于制造产生声音的设备，例如压电扬声器和压电麦克风。这种压电设备非常实用，因为它们很薄并且可以安装到各种小型电器中。同样，同样的原理也适用于声纳换能器和医用超声波等设备。
https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM
压电材料
各种材料，无论是天然的还是人造的，都表现出压电效应。当您施加压力（机械应力）并施加高压变形时，它们会产生电力。
通常，这些材料是不导电的。这是压电效应发生的唯一方式。
压电材料主要分为两大类：
- 压电晶体
- 压电陶瓷
天然存在的压电材料的例子是柏林石、石英、罗谢尔盐、电气石等。人造压电材料的例子包括锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡、蔗糖和铌酸锂。
与生物材料相比，人造材料更有效，材料利用率更高。例如，在施加相同压力时，锆钛酸铅会产生比石英更高的电压，而当对这两种材料施加高电压电流时也是如此。
压电材料
应用程序
燃气灶燃烧器上的压电火花发生器燃烧器
今天，压电换能器和传感器应用无处不在。今天市场上的每个设备中可能都有一些压电材料。
以东京的地铁为例。它使用该原理作为替代能源。
以下是压电原理的一些典型日常应用。
压电传感器
压电传感器将物理尺寸转换为作用在传感元件两个相对面上的力。简单来说，传感器检测声音带来的压力变化。
它们不需要外部电压源，并且可以通过施加的压力产生结果。
压电传感器很容易受到影响，因此非常适合高频声音设备，例如用于医学成像和工业机器监控的超声波换能器。
压电传感器具有以下主要特点：
- 一、强度高、尺寸薄
- 二、机械强度高
- 那么，高稳定性和弹性顺应性
- 此外，频率范围广
- 还有抗冲击性
- 最后是高压输出
高压和电源
利用压电原理的点烟器
这是压电原理最流行的实际应用。最好的例子是燃气烤架和电动打火机。此外，您只需按下按钮，弹簧锤就会敲击压电晶体。然后产生足够的火花，导致电荷点燃气体。
电机
压电效应的主要优点是与高压应用相对应的微小变化——使其非常适合在定位精度极高的情况下使用。
这就是为什么压电电机与传统的电磁发动机相比具有许多优势。此外，尽管它们通常更小、更紧凑，但它们提供了更大的力和扭矩。
此外，电磁场不会影响压电器件的性能，这使得它们更适合快速启动和停止。
压电执行器
压电执行器插图。来源：https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866
执行器利用逆压电效应为盲文和针织机等设备提供动力。在执行器系统内部，压电材料位于金属板和执行器设备之间。
向该系统施加高压电流会导致压电材料不时地膨胀和收缩，从而使执行器有节奏地移动。
这些致动器是有益的，特别是在需要精确定位的设备中，例如卫星中的镜子。此外，由于其简单的设计和最少的移动部件，它们非常适合小型化设备，例如摄像机和手机。
压电的优缺点
尽管得到了如此多的赞誉，但压电性也有一些局限性。以下是压电的一些主要优点和缺点。
优点 | 缺点 |
|---|---|
能够在任何温度下工作 | 它们的振动敏感性使它们容易受到随机振动的影响。 |
不受电磁场影响。 | 有时压电材料的刚度与应用材料不匹配，例如路面。 |
碳足迹低，使其成为化石燃料的最佳替代品 | |
高度可重复使用的材料 | |
它们对高频的微小响应使它们成为最好的能量收集器。 |
压电发电机
压电发电机（也称为 PEG）利用压电传感器将机械能转换为电能，而无需任何物理旋转——通常在传统发电机中发现。因此，压电发电机具有小巧、紧凑且易于管理的尺寸。
在这一代，压电发电机是发电领域的一个非常受欢迎的突破。尽管尚未实现，但它们拥有将自供电无线电子设备的梦想变为现实的能力。
实现这个梦想可能还有很长的路要走；然而，压电发电机已被证明是可靠、稳定和高度耐用的电源。专家认为，不久之后，压电发电机就能取代我们大部分的电力需求。
压电发电机——优点和局限性
好处
- 首先，尺寸多样。由于其独特的特性，压电元件具有高度灵活的尺寸和设计。它们可以按照您需要的那样平坦，以适合任何微型设备。
- 其次，压电元件收集原本会浪费的能量。例如，连接在人行桥上的压电电机会收集来自步法的振动并将其转换为电能。这是一种替代能源，也是一种减少环境噪音的方法。
限制
- 它们的功率输出有限。压电发电机需要恒定的振动来产生恒定的功率。因此，产生的功率与施加的应力成正比。您可以通过将多个压电元件堆叠在一起来增加输出。但是，在某个点之后，收益会递减，因为它需要更大的压力来运行系统。
结论
那么，压电是如何工作的呢？综上所述，压电材料可以方便地将机械能转化为电能。这些材料的独特特性使其在许多技术领域非常有用。尤其是需要精准定位的区域。
压电技术的应用是无限的，还有很多探索的可能。 WellPCB 等技术制造商在将这项技术融入日常使用方面处于最前沿。
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