石英晶体的压电效应

如上节所述，在不同的方向，石英晶体具有不同的物理特性，其中最重要的就是压电效应。

压电效应分为正压电效应和逆压电效应。

正压电效应：当石英晶体受到一定方向上的力的作用时，它的某些表面上出现电荷。

逆压电效应：当石英晶体受到电场的作用时，它的某些方向出现形变。

石英晶体正压电效应实际上是由机械能变化引起电能变化；逆压电效应是由电能变化引起机械能变化，如图12-4所示。

图12-4　压电效应的能量变化

实际上，我们若给“XY”切型石英晶片在X方向施加压力，或在Y方向施加拉力，则在垂直于X轴的两个晶片表面上将产生电荷，如图12-5所示。

图12-5　正压电效应之一

若对石英晶片在X方向施加相反的拉力，或在Y方向施加相反的压力，则在垂直于X轴的两个晶体表面上出现与上述情况方向相反的电荷，如图12-6所示。

图12-6　正压电效应之二

上述机械能变化引起电能变化的现象即为正压电效应。由此产生的电场E的大小与机械压力或拉力产生的机械形变S成正比：

E＝k₁S

式中，k₁为常数。

反之，在石英晶片的两面之间加一个电场E，根据电场方向的不同，石英晶片将沿X轴或Y轴伸长或缩短。伸长量或缩短量与电场强度成正比：

S＝k₂E

式中，k₂为常量；

S为伸缩量。

上述电能变化引起机械能变化的现象即为逆压电效应，如图12-7所示。

图12-7　石英晶体逆压电效应示意图

不难看出，石英晶体的正、逆压电效应是可以互相转化的。若将石英晶体置于交变的电场内，则在交变电场的作用下，晶体将有伸长和缩短的变化，形成机械振动（振动频率与所加交变电场的频率相等）；反过来，晶体振动时，在它的两面上产生交变的电荷，在外电路可出现交变的电流。