Электроника Физика Электротехника Полупроводниковые материалы Теория конструктивных материалов Курс черчения Контольная работа

Конспект курса лекций по физике. Проводники

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТРИКЦИЯ. ЭЛЕКТРЕТЫ

 Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется поляризация диэлектриков, обусловленная их механической деформацией. Пьезоэффект наблюдается у кварца, сегнетовой соли, метатитаната бария, турмалина и некоторых других кристаллов с низкой симметрией строения.

На ‘‘качественном’’ уровне может быть дано следующее объяснение явлению пьезоэлектрического эффекта. Вообще любую пространственную решетку, особенно многокомпонентного вещества, можно представить состоящей из двух или нескольких более простых, например, кубических решеток. В частности, можно рассматривать решетки из положительных и отрицательных ионов. При механической деформации происходит взаимный сдвиг этих решеток, в результате чего диэлектрик поляризуется. В зависимости от ориентации заряженных граней кристаллов относительно направления нагружения различают прямой продольный и прямой поперечный пьезоэффект.

 Из энергетических соображений можно прогнозировать и обратный пьезоэлектрический эффект. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при поляризации диэлектриков во внешнем электрическом поле имеют место механические деформации. Силы электрического поля вызывают смещение простых (‘‘вставных’’) решеток, в результате чего изменяются линейные размеры кристалла, причем возможны изменения как продольных (относительно ориентации напряженности поля) размеров, так и поперечных. Соответственно, различают продольный и поперечный обратный пьезоэффект.

 Кроме того, во всех без исключения диэлектриках имеет место электрострикция - увеличение или уменьшение в процессе поляризации одних размеров диэлектрика при одновременном соответствующем уменьшении или увеличении других (вспомните хотя бы механизм ионной поляризации).

 На первый взгляд может показаться, что обратный пьезоэффект и электрострикция неразличимы. Однако это не так. Пьезоэффект наблюдается только у некоторых диэлектриков, электрострикция же - у всех твердых диэлектриков. Обратный пьезоэффект обусловлен смещением простых решеток в целом, электрострикция же объясняется действием поля на отдельные молекулярные диполи, соответственно, и масштаб перемещения при пьезоэффекте значительно выше.

 Деформация при обратном пьезоэффекте зависит от напряженности поля по линейному закону и при изменении направления поля изменяет свой знак: это значит, что растяжение изменяется на сжатие, если направление поля изменяется на противоположное. Деформация же, обусловленная электрострикцией, зависит от напряженности поля по квадратичному закону и не изменяет своего знака при изменении направления поля.

6. Электреты.

 Наконец, существуют диэлектрики, которые, будучи однажды поляризованы, сохраняют приобретенную поляризацию. Такие диэлектрики называются электретами.

 В подавляющем числе случаев поляризация диэлектриков – упругое явление. При выключении внешнего поля она исчезает, однако в некоторых веществах – электретах - она может и сохраняться в отсутствие внешнего поля. Электреты являются аналогами постоянных магнитов.

 Существуют два основных способа получения электретов: термический и фотоэлектрический.

  Суть термического способа: нагрев веществ с полярными молекулами (воск, смола), наложение внешнего электрического поля и ориентация молекул. Затем охлаждение в электрическом поле и «замораживание» поляризации. Выстроенность диполей может сохраняться в зависимости от условий (в основном, от температуры) часы, дни, и даже годы.

При использовании фотоэлектрического способа диэлектрический образец помещают в сильное внешнее электрическое поле. Происходит поляризация и смещение зарядов, ионы удерживаются на местах межатомными электронными связями. Если затем подвергнуть такой диэлектрик облучению ультрафиолетовым или видимым светом, часть связей будет оборвана и заряды (ионы) будут дрейфовать к поверхности образца. После выключения внешнего поля поляризация будет долго сохраняться, так как вообще подвижность зарядов в диэлектрике чрезвычайно низка.

Хорошими электретами являются полиметилметакрилат (оргстекло), смесь (1:1) канифоли с воском, средние по характеристикам – титанат бария, сахар, сера, некоторые органические соединения, плохие – полистирол, парафин, оконное стекло, ацетат целлюлозы.

Точной теории электретного состояния пока нет, есть лишь феноменологическая (описательная) теория (см. А.Н.Губкин «Электреты», м., «Наука», 1978 г., 190 с.). Однако, уже отработан ряд способов применения электретов на практике. Идея – использование в качестве источника постоянного электрического поля (не тока!). Особенно интересны такие применения, как фильтры для очистки газов от пыли, электретные электрометры вольтметры. Очень высококачественные электретные микрофоны разработаны совместно СССР и Японией («Сони»). Изготовлены вибродатчики, тахометры, дозиметры, гигрометры, получение изображений (электрофотография) и др.

Общие перспективы электретов: те области техники и те приборы и устройства, где главное – небольшой вес, надежность, простота конструкции, способность работать в вакууме.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИКОВ

 1. Изучение электрических свойств диэлектриков имеет важное теоретическое значение. Знание дипольных моментов молекул различных веществ помогает установлению структурных формул и выяснению типа связей между атомами и группами атомов в молекулах, так как каждому типу связи соответствует величина дипольного момента определенного диапазона.

  2. Диэлектрики широко используются в электро- и радиотехнике как изоляционные материалы и диэлектрические заполнители конденсаторов, причем в последней роли сегнетоэлектрики незаменимы, особенно в области микросхем.

 3. Широкое практическое применение нашли прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. Прямой пьезоэффект используется в устройствах преобразования механических деформаций в электрический сигнал, например, в пьезоэлектрических звукоснимателях и микрофонах. Обратный пьезоэффект применяется в различных генераторах, преобразующих электрический сигнал в механическое перемещение, в частности, - в ультразвуки медицинского и технического применений (тонкое перемешивание суспензий, очистка изделий от жировых загрязнений, конструирование сонарной техники и т.п.).

 4. Высокое постоянство частоты собственных колебаний кварца используется для стабилизации частоты электромагнитных колебаний, что имеет огромное значение в радиотехнике. Генераторы с кварцевыми стабилизаторами представляют, в сущности, очень точные часы, что и используется как в обычных наручных часах, так и в специальных высокоточных устройствах. О точности пьезокварцевых часов можно судить хотя бы по факту установления с их помощью неравномерности вращения Земли вокруг своей оси.

 5. В приборах, называемых «вариконды» - конденсаторы с нелинейной зависимостью емкости от напряжения, - используется зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от величины приложенного напряжения. В последнее время электреты находят применение как в высокоэффективных микрофонах, так и в автономных устройствах газоочистки.

Наш курс будет ориентирован на исследование колебательных процессов в различных радиотехнических системах. В прошлых семестрах вы изучали в основном линейные инвариантные системы, линейные системы с распределенными элементами и в меньшей степени нелинейные системы. На самом деле все процессы, происходящие в природе, если подходить более строго к моделям описывающих их, относятся к нелинейным процессам. Только лишь нелинейные системы позволяют получить все интересные устройства в радиотехнике, такие как детекторы, модуляторы, генераторы, пере множители, стабилизаторы и многие другие.

На главный сайта: Курс физики