电磁学课程报告

电磁学课程报告

压电效应与压电陶瓷

金慧凝

（1011202班 学号：1101120218）

摘要：从我们刚做完的基础物理实验（声速测量）中的超声换能器引入压电效应与压电陶瓷。简述了压电陶瓷换能器产生超声波的原理。通过查找资料、自我消化，自述压电效应与压电陶瓷的应用。

关键词：压电效应  压电陶瓷  换能器


一、前言

第一次接触到压电效应是在声速测量试验中。小小的换能器竟然能产生数十KHz的超声波，这引起了我的好奇，也是我写这篇文章的原因之一。某些各向异性的晶体，在外力作用下产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现束缚电荷，这种现象称为压电效应。某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力微小得像声波振那样小，都会产生压缩或伸长等形状变化，引起介质表面带电，这是正压电效应；反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应；晶体的这种性质称为压电性。压电效应反映了晶体的弹性性能与介电性之间的耦合。压电性是居里兄弟于1884年首先在石英晶体上发现的，几个月后，他们又用实验验证了逆压电效应，即给晶体施加电场时，晶体会产生应变和应力。1947年，第一个压电陶瓷材料——钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。1956年，钛酸钡拾音器——第一个压电陶瓷器件诞生了。80年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料——锆钛酸铅研制成功。从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。70年代到90年代，压电陶瓷不断改进，渐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷以及近年来的无铅压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。受到人们的青睐。

二、声速测量实验中的压电换能器

在本实验中，采用两个超声换能器分别作为声波的发生器和接收器。压电现象是1880年法国科学家居里兄弟发现的。当结构上不存在对称中心的晶体移于电场中时，会产生机械形变；反之，当这些材料受压变形时，会在表面产生电荷，这就是“压电效应”，前者称为逆压电效应。在本实验中，在换能器工作前要调节共振频率，这是因为超声换能器有一定的固有频率，只有信号源的频率接近固有频率时，能量的转化效率才比较高。如图所示：

原理图.gif

信号源产生电信号，发射端（即为换能器）产生机械形变，由此将电信号转换为声信号，同轴相对放置的接收器受压变形，表面产生电荷（压电效应），电信号被示波器检测到，即可查看声波图形。如要求声速，可根据极值法或相位比较法间接测得。根据同样的原理，压电效应还在生产生活中有着广泛的应用。比如说：[1]


（1）   电话耳机中利用压电晶体的逆压电效应把电的震荡还原为警惕的机械振动。晶体再把这种震动传给一块金属薄片，发出声音。

（2）   超声波是频率比耳朵能听到的声波频率高的多的声波（大于20000Hz）。利用逆压电效应可以产生超声波。将压电晶片放在平行板电极之间，在电极间加上频率与晶体片的固有振动频率相同的交变电压，晶体片就产生强烈的震动而发射出超声波来。

三、压电陶瓷的正逆压电效应

压电陶瓷的压电效应, 可以用图1的示意图加以解释。图1（a）表示陶瓷压电晶体中的质点在某方向上的投影。此时, 压电陶瓷片不受外力作用, 在晶体中正电荷的重心与负电荷的重心相重合, 整个晶体的总电矩等于零。这是简化了的假定, 实际上是有电偶极矩存在，因而晶体表面不带电荷。但是, 当沿某一方向对于陶瓷晶体施加机械力时, 晶体就会由于发生变形, 导致粒子间的距离键角发生变化, 改变极化状态, 使正负电荷重心不重合, 即电矩发生了变化, 从而引起了晶体表面的电荷现象。称为压电效应。图1（b）为陶瓷压电晶体受压缩时电荷的情况。 图1（c）是拉伸时的电荷情况。在这两种情况下, 晶体表面带电的符号相反。反之, 如果将陶瓷压电晶体置于外电场中，即对陶瓷压电片施加电压，由于电场的作用, 会引起晶体内部正负电荷重心的位移—极化。极化位移又导致晶体发生变形, 这种效应称为逆压电效应。[2]

未命名.jpg未命名2.jpg未命名3.jpg                            图1

五、      压电陶瓷在压电振子方面的应用

压电陶瓷变压器是一种工作在音频或超音频内的固体电子变压器。同传统的铁芯线绕电磁变压器相比，具有体积小，质量轻，使用时不被击穿，变压器本身耐高温，不怕燃烧，无电磁干扰且结构简单，制作工艺简便，可批量生产等优点。压电变压器主要应用于驱动器，变压器，除此之外，压电变压器还被应用于军事，即利用其输出电极引线尖端放电引爆高压雷管。民用方面的应用就更多了。例如霓虹灯驱动器、高压防盗器、高压电击棒、小型- 光机，雷达、复印机、氦, 氖和小型二氧化碳基光气等等。压电陶瓷变压器是通过不同组分形成的异极对称型点群的晶体结构，利用逆压电效应和正压电效应来实现的。当加一个与极化方向平行的压应力后，陶瓷体产生压缩形变，电偶极矩变小，极化强度也就是束缚电荷密度变小，而使电极面上出现多余的自由电荷产生放电现象，如图如沿极化方向施加以拉应力，则出现充电现象，这就是正压电效应。当给压电陶瓷体施加一个与极化方向相同（或相反）的电场时，由于电场方向与极化方向相同（或相反），起着极化强度增大（或减小）的作用，使压电陶瓷体引起沿极化

六、压电陶瓷换能器

压电陶瓷作为换能器使用时，其应用的范围比振子更为广泛。压电超声换能器就是其中的一个方面，它是水下发射和接收超声波的水声器件，在工业中还被广泛用作超声清洗、超声精密加工、超声加湿和超声诊断等。当今压电超声换能器的另一个广泛应用的领域是遥测和遥控系统，如遥控电视频道开关系统、停车时间记录器的自动控制系统等等。其具体应用实例主要有：压电陶瓷蜂鸣器、压电点火器、超声显微镜等都已得到了广泛的应用见表3 未命名2.jpg

七、压电效应与电磁效应应用领域的相似性

电磁效应马上被应用于生产。发电机、电动机、 变压器等均是依靠电磁感应，引发了第二次工业革命，极大地改变了社会面貌。压电效应的发现，同样有着深远的意义。1880 年Curie 兄弟在石英晶体上发现了压电效应, 近几十年压电材料也被用来制作新型微电机、微变压器等。在同一应用领域内,使用压电效应与电磁效应各有优势。例如电?机转换器作为电液控制阀的前置元件, 其性质对电液控制阀的性能有直接的影响。实验证明, 粘接式多层压电晶体型电?机转换器的静态特性优于电磁型电?机转换器, 能够很好满足电?机转换器的要求, 可广泛用于电液控制技术领域。压电点火系统是利用压电陶瓷的压电效应, 将机械能转换为电能, 在放电间隙产生电火花引燃燃烧物的装置。与电磁点火系统相比, 它不用电池、电容、电感线圈等电子元件, 节省能源, 结构简单, 安全可靠, 因而广泛应用在日常生活、工业生产以及军事等方面。在压电执行器方面, 微位移、微力的实现既可以通过电磁驱动, 也可以通过压电陶瓷驱动, 而压电陶瓷驱动较之电磁驱动具有不发热、分辨率高等优点。在自感知执行器方面, 用电磁耦合可以制成电磁式自感知执行器。1996 年Guckel H 等采用恒定激励电流, 研制出电磁式线性自感知执行器, 而利用机电耦合可以研制出各种压电自感知执行器。在通讯领域中, 使用电磁波可以在空气中通讯,但是电磁波在水中的传播损耗很大, 传不多远就会被水吸收掉。而声波在水中传播损耗很小, 因此, 在水中通讯和探测主要利用声波来传递信息, 即利用逆压电效应向水中发射声波, 再过正压电效应接收从水中返回的声波。

八、压电陶瓷的发展前景

今后要解决的问题是实现大功率化，实现高效率、高可靠性，为此，需要进一步研究新的压电材料及结构，得到更大的升压比和更高的转换效率。如果不考虑压电变压器的体积，可增大功率，应用于负离子发生器等电器设备中。实践证明，利用MMLC技术制作的3次多层Rosen型压电陶瓷变压器可以满足市场上笔记本PC机用LCD的背照光要求。低温烧结技术越来越受到重视。低温烧结不仅可以减少PbO的挥发，从而保证组元的化学成分的准确性，而且通史将大大降低对环境的污染。我国清华大学的李龙土等人用B-Bi-Cd系列玻璃熔料作为添加剂，使PTZ瓷料的烧结温度由原来的1250°C降低到960°C左右，而烧结瓷体的压电性能和稳定性比原来在1250°C烧成的瓷体性能不仅不降低，反而还有所提高。这种瓷料已成功地用于制作高升压比的独石瓷变压器，其交流空载升压比可达9000以上。此外，随着人们环境保护意识的提高，铅基压电陶瓷正在一步一步地被无铅压电陶瓷所代替，无铅压电陶瓷的研究与应用也已经成为目前开发的热点。已开发的铌酸盐系陶瓷、铋层状结构压电陶瓷、钛酸盐陶瓷等一系列无铅压电陶瓷，其性能都已经有了很大的突破。据《国际电子商情》报道，到20##年1月1日，

所有的电子产品都是无铅的。而且有的国家也已立法禁止使用含铅的压电铁电材料。因此，从发展的角度来看，寻找替代PTZ的无铅压电陶瓷材料是很有必要而且很紧迫的课题。

[3]

九、结论、讨论

在电磁学课程上，所学内容给我的感觉就是前后联系非常紧密。静电场、恒定磁场、电磁感应、电磁介质等内容有很多都可以互相解答。针对“课程报告”的任务，我只是在书中的介绍材料中选取了“压电效应”。不仅是因为“压电效应”比较具体，而且因为在物理实验课上接触过压电换能器。由于水平所限，我没法研究一个具体现象，能做的是通过查找、阅读文献，通过自己的理解做个概述。通过研究，我对压电效应的理解更深了一层，了解了压电效应如何从理论走向生产实践。随着对材料结构的深入认识和应用技术的研究与拓展,压电陶瓷材料将广泛用于电子技术、通信技术、激光技术、生

物技术等高科技领域,随着这些领域的飞速发展和经济社会新的发展需求,对压电陶瓷的性能会有更高的要求,如高居里温度、高机电耦合系数和机械品质因数及环保、无铅、复合、纳米压电陶瓷必将成为今后的研究重点。

引用文献：

【1】张卫珂 张敏 尹衍升 谭训

材料的压电性及压电陶瓷的应用

（山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室 济南 中国海洋大学材料科学与工程研究院，青岛!）

【2】严联莹 多层压电陶瓷变压器及其应用技术 电子元器件应用 20##年5月 4卷5期

【3】张建华  利用超声波方式实现无线电能传输的可行性的研究    电工电能新技术  20##年4月 30卷  2期

【4】盖学周  压电材料的研究发展方向和现状  中国陶瓷  44卷5期  20##年5月

【5】程仁志  压电陶瓷的应用进展与发展趋势  河南教育学院学报(自然科学版)  第18卷第3期  20##年9月

【6】史丽萍  压电效应与电磁效应的相似性研究  黑龙江水专学报  第35卷第4期  20##年12月

【7】纪长河  压电振动技术在液浮火控计算陀螺中的应用


[1]以上内容参考《大学物理实验》 哈尔滨大学出版社

[2] 以上内容参照《新概念物理教程 电磁学》

《压电振动技术在液浮火控计算陀螺中的应用》

纪长河

[3] 以上内容参考自《压电效应与电磁效应的相似性研究》

史丽萍, 王立晶, 赵月容( 黑龙江大学机电工程学院, 哈尔滨150080)

 

第二篇：电磁学论文

电磁学的发展史

摘 要： 电磁学是物理学的一个重要分支，有今天的地位它经过漫长的发展历程。人类在公元500年前就发现了电磁现象,但是电磁学的发展和广泛应用在18世纪以后. 18世纪,人们通过对电和磁的定量研究,发现了许多重要的规律.19世纪,科学家们发现了电和磁的相互联系,电磁感应、电磁场、电磁波等理论得到不断发展和广泛应用。早期的电磁学的研究比较零散，由于磁现象曾被认为是与电现象独立无关。同时由于磁学本身的发展和应用展用等等，磁学的内容不断扩大，所以磁学在实际上也就作为一门和电学相平行的学科来研究了。 早期的电磁学研究

早期的电磁学研究比较零散，下面按照时间顺序将主要事件列出如下： 1650年，德国物理学家格里凯在对静电研究的基础上，制造了第一台摩擦起电机。1720年，格雷研究了电的传导现象，发现了导体与绝缘体的区别，同时也发现了静电感应现象。1733年，杜菲经过实验区分出两种电荷，称为松脂电和玻璃电，即现在的负电和正电。他还总结出静电相互作用的基本特征，同性排斥，异性相吸。1745年，荷兰莱顿大学的穆欣布罗克和德国的克莱斯特发明了一种能存储电荷的装置－莱顿瓶，它和起电机一样，意义重大，为电的实验研究提供了基本的实验工具。1752年，美国科学家富兰克林对放电现象进行了研究，他冒着生命危险进行了著名的风筝实验，发明了避雷针。1777年，法国物理学家库仑通过研究毛发和金属丝的扭转弹性而发明了扭秤。1785－1786年，他用这种扭秤测量了电荷之间的作用力，并且从牛顿的万有引力规律得到启发，用类比的方法得到了电荷相互作用力与距离的平反成反比的规律，后来被称为库仑定律在早期的电磁学研究中，还值得提到的一个科学家是大家都已经在中学物理课本中学过的欧姆定律的创立者－欧姆。欧姆,1787年3月16日生于德国埃尔兰根城，父亲是锁匠。父亲自学了数学和物理方面的知识，并教给少年时期的欧姆，唤起了欧姆对科学的兴趣。16岁时他进入埃尔兰根大学研究数学、物理与哲学，由于经济困难，中途缀学，到1813年才完成博士学业。欧姆是一个很有天才和科学抱负的人，他长期担任中学教师，由于缺少资料和仪器，给他的研究工作带来不少困难，但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进行科学研究，自己动手制作仪器。欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即现在所称的电动势，并且花了很大的精力在这方面进行研究。开始他用伏打电堆作电源，但是因为电流不稳定，效果不好。后来他接受别人的建议改用温差电池作电源，从而保证了电流的稳定性。但是如何测量电流的大小，这在当时还是一个没有解决的难题。开始，欧姆利用电流的热效应，用热胀冷缩的方法来测量电流，但这种方法难以得到精确的结果。后来他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤结合起来，巧妙地设计了一个电流扭秤，用一根扭丝悬挂一磁针，让通电导线和磁针都沿子午线方向平行放置。再用铋和铜温差电池，一端浸在沸水中，另一端

浸在碎冰中，并用两个水银槽作电极，与铜线相连。当导线中通过电流时，磁针的偏转角与导线中的电流成正比。实验中他用粗细相同、长度不同的八根铜导线进行了测量，得出了欧姆定律，也就是通过导体的电流与电势差成正比与电阻成反比。这个结果发表于1826年，次年他又出版了《关于电路的数学研究》，给出了欧姆定律的理论推导。欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，经济极其困难，使欧姆精神抑郁。直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌，才引起德国科学界的重视。

安培和法拉第奠定了电动力学基础

1820年间，奥斯特在给学生讲课时，意外地发现了电流的小磁针偏转的现象。当导线通电流时，小磁针产生了偏转。这个消息传到巴黎后，启发了法国物理学家安培。他思考，既然磁与磁之间、电流与磁之间都有作用力，那么电流与电流之间是否也存在作用力呢？他重复了奥斯特的实验，几天后向巴黎科学院提交了第一篇论文，提出了磁针转动方向与电流方向的关系，就是大家在高中学习过的右手定则。再一周后，他向科学院提交了第二篇论文，在该文中，他讨论了平行载流导线之间的相互作用问题。同时，他还发现如果给两个螺线管通电流，它们就会象两个条形磁铁一样相互吸引或者排斥。1822年，安培在实验的基础上，以严密数学形式表述了电流产生磁力的基本定律，即安培定律。 既然电流有磁效应，那么磁是否也会有电流效应呢？根据物理的相互作用原理，这个结果应该是显然的，因此不少人为此做了很多实验，试图发现磁的电流效应。但是这个现象直到奥斯特发现电流磁效应的10多年后，才被英国物理学家法拉第和美国物理学家亨利发现。 法拉第是一个伟大的实验物理学家，他在电磁学方面的主要贡献就是现在称之为法拉第电磁感应定律，并且提出了力线和场的概念。前面提到的安培和奥斯特等人的工作说明了电和磁之间存在着必然的联系，法拉第发现的电磁感应定律比他们前进了一大步。他用实验证明了电不仅可以转化为磁，磁也同样可以转变为电。运动中的电能感应出磁，同样运动中的磁也能感应出电。法拉第的发现为大规模利用电力提供了基础，后来人们利用法拉第电磁感应定律制造了感应发电机，从此蒸气机时代进入了电气化时代。1831年，法拉第用铁粉做实验，形象地证明了磁力线的存在。他指出，这种力线不是几何的，而是一种具有物理性质的客观存在。从这个实验说明，电荷或者磁极周围空间并不是以前那样认为是一无所有的、空虚的，而是充满了向各个方向散发的这种力线。他把这种力线存在的空间称之为场，各种力就是通过这种场进行传递的。法拉第将他的一生所做的实验进行了总结，写出了《电学实验研究》。

麦克斯韦的电动力学

法拉第精于实验研究，麦克斯韦擅长于理论分析概括，他们相辅相成，导致了科学上的重大突破。1855年，24岁的麦克斯韦发表了他的论文《论法拉第的力线》，对法拉第的力线概念进行了数学分析。1862年，他继续发表了《论物理的力线》。在这篇论文中，他不但解释了法拉第的实验研究结果，而且还发展了法拉第的场的思想，提出了涡旋电场和位移电流的概念，初步提出了完整的电磁学理论。1873年，麦克斯韦完成了电磁理论的经典著作《电磁学通论》，建立了著名的麦克斯韦方程组，以非常优美简洁的数学语言概括了全部电磁现象。这一方程组有积分形式和微分形式。其积分形式有四个等式组成，就是说通过任

意闭合曲面的电通量等于它包围住的自由电荷的代数和 ，说明在任何电场中电场强度沿着任意闭合曲线的积分等于通过此闭合曲线包围面积的磁通量随时间变化律的负值，即在任何磁场中，通过任意封闭曲面的磁通量等于零，说明任何磁场中磁场强度沿着任意闭合曲线的积分等于通过此闭合曲线所包围面积内的全电流。麦克斯韦方程组把电荷、电流、磁场和电场的变化用数学公式全部统一起来了。从该方程组可以知道，变化的磁场能够产生电场，变化的电场能产生磁场，它们将以波动的形式在空间传播，因此麦克斯韦预言了电磁波的存在，并且推导出电磁波传播速度就是光速，因此他也同时说明了光波就是一种特殊的电磁波。这样，麦克斯韦方程组的建立就标志着完整的电磁学理论体系的建立。

由于没有实验的验证，麦克斯韦理论当时得不到大多数科学家的理解。1883年，赫兹注意到一个有关的新研究，有人提出，如果电磁波存在，那么莱顿瓶在振荡放电的时候，应该产生电磁波。1886年，赫兹在进行放电实验时，发现近傍一个没有闭和的线圈也出现了火花，他得到启发，很快制出了可以检测电磁波的电波环。电波环的结构非常简单，在一根弯成环状的粗铜线两端，安上两个金属球，小球间的距离可以进行调整。赫兹经历了无数次失败，不断改变实验设计和装置，反复调整实验仪器。终于观察到，调节电波环的两个金属球之间的间隙，当感应圈两极的金属球之间有火花跳过时，可以使在电波环的间隙处也有火花跳过，这样，他就终于检测到了电磁波。

这也就是电磁学在19世纪的发展简史。电磁学后来的发展在前人的基础上可谓突飞猛进，到今天，生活中很多地方都运用到了它。作为一名电信的学生，电磁学在我们的专业中占有极其重要的地位，我要好好学习，将电磁学更好地运用到实际中，为人们造福。

参考文献：

《电磁学》，百度文库，教材。

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