压电效应是由法国科学家居里兄弟在 19 世纪末发现的。当时谈论这一发现现象的实际应用还为时过早，但今天压电元件已广泛应用于工程和日常生活中。
压电效应的本质
著名物理学家发现，当某些晶体（水晶、电气石等）在其刻面变形时，就会产生电荷。电位差微不足道，但当时现有的设备修复了它，并且通过在导体的帮助下连接具有相反电荷的部分，可以接收 电流。.该现象仅在压缩或拉伸时以动态方式记录。静态变形不会引起压电效应。
很快，相反的效果在理论上得到证实并在实践中发现——当施加电压时，晶体会变形。事实证明，这两种现象是相互关联的——如果一种物质表现出直接的压电效应，它也会表现出相反的效应，反之亦然。
这种现象在具有足够不对称的各向异性晶格（根据方向具有不同的物理性质）的物质以及一些多晶结构中观察到。
在任何固体中，施加的外力都会引起变形和机械应力，而在具有压电效应的物质中，电荷也会极化，极化取决于所施加力的方向。当影响方向改变时，极化方向和电荷极性都会改变。极化对机械电压的依赖性是线性的，并由表达式 P=dt 描述，其中 t 是机械电压，d 是称为压电模量（压电模量）的系数。
逆压电效应也会出现类似的现象。当外加电场方向改变时，变形方向也随之改变。这里的相关性也是线性的：r=dE，其中 E 是电场强度，r 是应变。对于所有物质的直接和反向压电效应，系数 d 相同。
事实上，这些方程只是估计。实际的依赖性要复杂得多，并且还取决于力相对于晶轴的方向。
具有压电效应的物质
压电效应最早是在水晶（石英）的晶体中发现的。时至今日，这种材料在压电元件的制造中非常普遍，但生产中不仅使用天然材料。
许多压电元件基于具有 ABO 分子式的材料3配方，如 BaTiO3, 二氧化钛3.这些材料具有多晶（由许多晶体组成）结构，并且为了使它们能够表现出压电效应，它们必须通过外部电场进行极化。
有一些技术可以得到薄膜压电体（聚偏二氟乙烯等）。为了赋予它们必要的特性，它们还必须在电场中长时间极化。这种材料的优点是它们的厚度非常小。
具有压电效应的物质的性质和特性
由于极化只发生在弹性变形过程中，压电材料的一个重要特性是它能够在外力的作用下改变形状。这种能力的值由弹性柔量（或弹性刚度）决定。
具有压电效应的晶体具有很高的弹性——当力（或外部应力）被移除时，它们会恢复到原来的形状。
压电晶体还具有固有的机械共振频率。如果强迫晶体在这个频率下振荡，幅度会特别大。
由于不仅整个晶体表现出压电效应，而且在某些条件下切割它们的板，因此可以获得在不同频率下具有共振的压电材料片 - 取决于几何尺寸和切割方向。
机械品质因数也表征了压电材料的振动特性。它表示对于相等的施加力，在共振频率下振动幅度增加了多少倍。
压电特性对温度有明显的依赖性，在使用晶体时必须考虑到这一点。这种依赖性的特点是系数：
- 谐振频率的温度系数显示了当晶体被加热/冷却时谐振消失了多少；
- 温度膨胀系数决定了压电晶片的线性尺寸随温度变化的程度。
在一定温度下，压电晶体会失去其特性。这个极限称为居里温度。此限制因每种材料而异。例如，石英为 +573 °C。
压电效应的实际应用
压电电池最著名的用途是作为点火元件。压电效应用于袖珍打火机或燃气灶的厨房点火器。按压晶体时，会产生电位差，并在气隙中出现火花。
这并不是压电元件应用领域的终结。具有类似效果的晶体可用作应变传感器，但该应用领域受限于压电效应的特性，仅出现在动力学中 - 如果变化停止，则信号停止生成。
压电晶体可用作麦克风 - 当暴露于声波时会产生电信号。逆压电效应还允许（有时同时）将此类元件用作声音发射器。当向晶体施加电信号时，压电元件将开始产生声波。
这种发射器广泛用于产生超声波，特别是在医疗技术中。在 在 也可以利用板的共振特性。它可以用作声学滤波器，仅发射其自身频率的波。另一种选择是在声音发生器（警报器、检测器等）中同时使用压电元件作为频率传感器和声音发射器。在这种情况下，声音将始终以共振频率产生，并且可以以很少的能量消耗获得最大音量。
谐振特性用于稳定在射频范围内工作的振荡器的频率。石英板在频率保持电路中充当高度稳定和高质量的振荡电路。
到目前为止，已经有一些很棒的项目可以在工业规模上将弹性变形的能量转化为电能。您可以使用行人或汽车重力引起的路面变形，例如，照亮高速公路的路段。可以利用飞机机翼的变形能量来提供机载动力。这种使用受到压电电池效率不足的限制，但已经创建了试点装置，并且它们已显示出进一步改进的希望。
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