Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-тех

Применение

Магнитострикция нашла широкое применение в технике. На явлении магнитострикции основано действие магнитострикционных преобразователей (датчиков), реле, излучателей. Магнитострикция позволи-

81

ла создать высокочувствительные магнитострикционные механизмы микроперемещений и нажимных устройств, принципиально новые генераторы мощного звука и ультразвука, сверхчувствительные приемники звука. Были улучшены характеристики линий задержки звуковых

èэлектрических сигналов, а также других устройств для радиотехники

èэлектросвязи.

2.7.3. Электромагнитное поле

Электромагнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Электромагнитное поле характеризуется вектором напряженности электрического поля Å и магнитной индукцией Â, которые определяют силы, действующие со стороны поля на неподвижные и движущиеся заряженные частицы. В вакууме электромагнитное поле характеризуется дополнительно двумя вспомогательными величинами: напряженностью магнитного поля Í и электрической индукцией D.

2.7.3.1. ЭДС индукции

Входы: скорость.

Выходы: ÝÄÑ.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.37.

Сущность

При изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в последнем возникает ЭДС индукции, пропорциональная скорости изменения магнитного потока через этот контур. В соответствии с правилом

Рис. 2.37. Возникновение ЭДС индукции в замкнутом контуре

82

Ленца, направление индукционного тока таково, что его собственное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукцию.

В постоянном магнитном поле ЭДС индукции возникает лишь в том случае, когда магнитный поток через замкнутый контур изменяется во времени, например при движении.

На рис. 2.37 показан процесс возникновения ЭДС индукции в рамке, двигающейся к постоянному магниту. Внешние силы, двигающие магнит, встречают сопротивление со стороны проводящего контура. Собственное поле контура таково, что магнитная рамка и магнит отталкиваются, а при удалении притягиваются.

Математическое описание

ЭДС индукции в замкнутом контуре

d , dt

где Ф — магнитный поток, пронизывающий контур; t — время.

Применение

ЭДС индукции лежит в основе работы генераторов электрического тока, трансформаторов и т. п.

Пат. 3787770 США. Способ обнаружения снаряда, вылетающего из ствола орудия, и прибор для его осуществления. Магнит располагают вблизи дула орудия для того, чтобы вылетающий из ствола снаряд пересекал некоторые магнитные силовые линии магнита. При отделении снаряда от орудия и при прохождении снаряда над постоянным магнитом, в считывающей катушке, намотанной на магнит, наводятся импульсы напряжения, которые после прохождения через усилитель подводятся к осциллографу или хронографу для обеспечения отсчета.

2.7.3.2. Взаимная индукция

Входы: òîê. Выходы: ÝÄÑ.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.38.

Сущность

Взаимная индукция — явление, в котором обнаруживается магнитная связь двух (или более) электрических цепей (см. рис. 2.38). Благодаря этой

83

мом глубиной проникновения, выделяется 86 % всей мощности. Для создания переменного электромагнитного поля при индукционном нагреве используются токи низкой (50 Гц), средней (до 10 кГц) и высокой (свыше 10 кГц) частоты. Для питания индукторов токами средней и высокой частоты применяют машинные и статические преобразователи, а также ламповые генераторы.

Математическое описание

Глубина проникновения тока в массивном проводнике

2 ,0

где — удельное электрическое сопротивление;

0 — магнитная постоянная;

— относительная магнитная проницаемость;

— циклическая частота.

Применение. Плавка металлов, зонная плавка, нагрев.

2.8. Диэлектрические свойства вещества

Диэлектрики — вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «диэлектрик» введен М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе, помещенном в электрическое поле, составляющие его электрические заряды (электроны, атомные ядра) испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов — электропроводность или поляризация — преобладает, принято деление веществ на изоляторы (диэлектрики) и проводники (металлы, электролиты, плазма).

Диэлектриками являются неионизированные газы, а также жидкости и твердые тела, характеризующиеся полностью заполненной электронами валентной зоной и полностью пустой зоной проводимости.

85

2.8.1. Пьезоэлектрический эффект

Входы: ñèëà.

Выходы: поляризация.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.40, 2.41.

нических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом. Плотность пьезоэлектрических зарядов пропорциональна величине вектора поляризации Ð.

Математическое описание

Пьезоэффект описывается линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Ð с механическим напряжением T:

P = T,

86

Пределы изменения параметров: = 1…1500·10–12 Êë/ì2, d — несколько миллиметров, d — несколько микрометров.

Применение. В промышленности — датчики различных физических величин (ускорения, давления, изменения размеров), в быту — пьезозажигалки.

2.8.2. Обратный пьезоэлектрический эффект

Входы: электрическое напряжение. Выходы: деформация.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.42.

Рис. 2.42. Схема структуры кварца (à) и возникновения обратного пьезоэлектрического эффекта (á)

Сущность

Обратный пьезоэффект заключается в деформации пьезокристаллов под действием внешнего электрического поля. Если электрическое поле (электрическое напряжение) изменяется с некоторой частотой, то и деформация пластины происходит с той же частотой (рис. 2.42, á). На высоких частотах пьезоэлемент начинает излучать ультразвуковые волны.

Микроперемещения при обратном пьезоэффекте очень малы. Например, кубик с ребром в 10 мм под действием напряжения в 2 кВ сжимается (или растягивается) на 1 мкм. Перемещение можно увеличить, если расположить последовательно несколько пьезоэлементов, параллельно подключенных к источнику напряжения.

Математическое описание

Обратный пьезоэффект описывается зависимостью

87

r = E,

ãäå r — деформация;

Å — напряженность электрического поля;— пьезомодуль (для прямого и обратного эффектов имеет одно

и то же значение, = 1…1500·10–12 Êë/ì2).

Применение

Обратный пьезоэффект применяется в дефектоскопии, гидроакустике, радиовещании, резонаторах, фильтрах.

Пат. 3239282 США. Предлагается конструкция подшипника, в котором трение уничтожается вибрацией. Втулки подшипника выполняются из пьезоэлектрического материала и с обеих сторон покрываются тонкой электропроводной фольгой. К фольге припаиваются тонкие электроды, по которым подводится переменный ток, который заставляет пьезоэлектрик сжиматься и разжиматься, создавая вибрацию, унич- тожающую трение.

2.8.3. Пироэлектрики

Входы: температура. Выходы: поляризация.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.43 и 2.44.

Сущность

Пироэлектрики — кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией P (дипольным моментом единицы объема) в отсутствие электрического поля и

88

Типичный пироэлектрик — турмалин, природный или синтетический монокристалл алюмосиликата. В нем при изменении температуры на 1 °C возникает электрическое поле E 400 В/см. К пироэлектрикам относят кристаллы моногидрата сульфата лития, титаната бария, тростникового сахара и др.

Все пироэлектрики являются и пьезоэлектриками, т. е. в них возникает поляризация при механиче- ском сжатии (или растяжении) в определенных направлениях. Но не все пьезоэлектрики обладают пи-

ãäå P0 — вектор спонтанной поляризации;

0 E — поляризация, индуцированная внешним

полем Å ( — диэлектрическая восприимчивость). Плотность возникающего поверхностного заряда

= ð Ò,

ãäå ð — пироэлектрическая константа;

Ò — изменение температуры.

T ~ Å — это явление называется линейным электрокалорическим эффектом. Существует и квадратичный электрокалорический эффект, когда изменение температуры ~ E2.

Применение

Пироэлектрики используются в технике в качестве индикаторов и приемников излучений. Их действие основано на регистрации электри- ческих сигналов, возникающих в кристалле при изменении их температуры под действием излучения.

А. с. 285356. Устройство для определения тепловых потоков, содержащее термоэлементы, расположенные на гранях дополнительной стенки, перпендикулярных направлению потока, и измерительную схему, отличается тем, что с целью повышения точности и быстродействия термо-

89

элементы выполнены в виде пироэлектрических датчиков температуры и включены в частотно-зависимую цепь обратной связи измерительной схемы.

2.8.4. Электреты

Входы: íåò.

Выходы: электрическое поле.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.45.

Рис. 2.45. Электрические диполи диэлектрика (à) и электрета (á) в отсутствие внешнего электрического поля

Сущность

Электреты — диэлектрики, способные длительное время находиться в наэлектризованном состоянии (см. рис. 2.45) после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию, и образовывать вокруг себя электрическое поле; электрические аналоги постоянных магнитов.

В качестве электрета используют монокристаллические (корунд, сера) и поликристаллические (фарфор, керамика, стекла и др.) диэлектрики, полимеры, а также воски (пчелиный и карнаубский) и природные смолы. Стабильные электреты получают, нагревая, а затем охлаждая диэлектрик в сильном электрическом поле (термоэлектреты), освещая в сильном электрическом поле (фотоэлектреты), воздействуя радиоактивным облучением (радиоэлектреты), поляризацией в сильном электрическом поле без нагревания (эдектроэлектреты) или в магнитном поле (магнетоэлектреты), при застывании органических растворов в электрическом поле (криоэлектреты), механической деформацией полимеров (механоэлектреты), трением (трибоэлектреты), действием поля коронного разряда (короноэлектреты).

90