4. Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрический эффект. Сегнетоэлектрики

Существует группа кристаллических диэлектриков (сегнетова соль) у которых в отсутствие внешнего электрического поля возникает самопроизвольная ориентация дипольных моментов молекул в микроскопических областях – доменах. Диэлектрическая проницаемость среды у этих веществ не является постоянной величиной. При помещении таких веществ в электрическое поле часть диполей поворачивается и увеличивается вектор поляризации. Увеличивая напряженность электрического поля, мы увеличиваем поляризацию диэлектриков, т.к. все больше молекул – диполей поворачиваются (см. график ОА). Но при дальнейшем увеличении напряженности поляризация не увеличивается – все молекулы диполей повернулись. Это состояние называется насыщением (т А). Если теперь уменьшить электрическое поле до 0, то вектор поляризации будет принимать другие значения, не совпадающие с 0А.Получим кривую АВ. В точке В напряженность внешнего поля равна нулю, а поляризация не равна нулю – внутри диэлектрика существует остаточное электрическое поле. Чтобы его уничтожить, необходимо приложить внешнее электрическое поле обратного направления (участок ВС). При дальнейшем увеличении внешнего поля опять произойдет насыщение (участок СД). При увеличении внешнего поля первоначального направления, поляризация вернется в точку А и мы получим замкнутую кривую называемую петлей диэлектрического гистерезиса.

Вектор поляризации имеет размерности Ре = Ре_о = q Клм

Вектор напряженности Е -В/м

Произведение РеЕ имеет размерность КлмВ/м = КлВ = Дж. Это означает, что площадь заключенная внутри петли, равна работе внешнего электрического поля по переполяризации диэлектрика, т.е. в переменном электрическом поле, часть энергии поля будет переходить во внутреннюю.

Пьезоэлектрический эффект.

Глядя на диполь заметно, что его размеры различны вдоль и поперек, поэтому можно предположить, что размеры всего тела во внешнем электрическом поле, когда молекулы – диполи поворачиваются – изменяются, а при механическом воздействии на кристалл на его гранях возникает разность потенциалов.

Пьезоэлектри́ческий эффе́кт — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля.

П ри прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела, при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его деформацию.

Пьезоэлектрическиевещества всегда обладают одновременно и прямым, и обратным пьезоэффектом.

Рисунок 3 Радиола Урал 49

П рямой пьезоэффект применяется, например, для получения звука с виниловых пластинок. Обратный пьезоэффект применяется для получения ультразвука. Кристалл помещают в переменное электрическое поле ультразвуковой частоты и он становится как бы диффузором громкоговорителя ультразвуковой частоты.

Вопросы:

1. Что означает термин сегнетоэлектрики?

2. Как выглядит график зависимости вектора поляризации от напряжённости внешнего поля?

3. 

   Рисунок 4Пьезоэлектрическая зажигалка

   Как называется график зависимости вектора поляризации от времени для сегнетоэлектриков?

4. Ч то характеризует площадь заключённая внутри графика зависимости вектора поляризации от времени?

5. Что называется прямым пьезоэффектом?

6. Что называется обратным пьезоэффектом?

7. Где применяется прямой пьезоэффект?

8. Где применяется обратный пьезоэффект?

Рисунок 5 Ультразвуковой дефектоскоп УСД-60

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 4

1. На каком расстоянии от точечного заряда q = 10^-8 Кл, находящегося в дистиллированной воде ( = 81), напряженность электрического поля будет равна Е = 0,25 В/м?

2,1 м

2. Заряженная положительным зарядом пылинка массой т = 10-8 г находится в равновесии внутри плоского конденсатора, пластины которого расположены горизонтально. Между пластинами создана разность потенциалов U1 = 6000 В. На сколько необходимо изменить разность потенциалов, чтобы пылинка осталась в равновесии, если ее заряд уменьшился на 1000 электронов? Расстояние между пластинами d = 5 см, заряд электрона e = 1,610-19 Кл.

-980 В

3. Электрон движется по направлению силовых линий одно­родного электрического поля, напряженность которого Е = 120 В/м. Какое расстояние пролетит электрон до полной потери скорости, если его начальная скорость υ₀ = 1000 км/с? За какое время будет пройдено это расстояние? Отношение заряда электрона к его массе е/m = 1,75810¹¹ Кл/кг.

0,0237 м 4,710^-8с

4. Два шарика заряжены одноименными равными зарядами q и расположены на одной вертикали, проходящей через их центры, на расстоянии Н друг от друга. Нижний шарик закреплен непод­вижно, а верхний, имеющий массу m, получает начальную ско­рость v, направленную вертикально вниз. На какое минимальное расстояние h приблизится верхний шарик к нижнему? Шарики можно считать точечными зарядами.