2.3.2 Электрострикция и области применения ее в измерительной технике

Существует явление электрострикции материалов связанное также с изменением геометрических размеров тел под действием электрического поля, но при этом знак деформации не зависит от направления напряжённости электрического поля. Электрострикция – это деформация твердых, жидких и газообразных диэлектриков в электрическом поле, обусловленная их поляризацией и пропорциональная квадрату напряженности электрического поля. Квадратичная зависимость деформации от напряженности поля  Е означает, в частности, что знак электрострикции (т.е. расширяется или сжимается вещество в электрическом поле) не зависит от направления поля. В переменном поле в результате электрострикции механические колебания происходят с частотой  вдвое большей, чем частота поля. В твердых телах электрострикция выражается квадратичной формулой:

 

, (2.8 )

 где  u_lm - компонента тензора деформации;

E_i и E_j - составляющие напряженности электрического поля;

q_ijlm - коэффициенты электрострикции;

все индексы i, j, l, m принимают значения 1, 2, 3 или соответственно - х, у, z.

 В газах и жидкостях электрострикцию описывают формулой:

, (2.9)

где  - относительная объемная деформация;

А - постоянная электрострикции.

  Электрострикция обусловлена поляризацией диэлектриков в электрическом поле, т.е. смещение под действием поля атомов, несущих на себе электрические  заряды (ионы, электрические диполи), или изменением ориентации диполей. Электрострикцией обладают все твердые диэлектрики независимо от их структуры и симметрии, в отличие от пьезоэффекта, который наблюдается только у сред, не имеющих центра симметрии. С другой стороны, создание механических напряжений в веществах, обладающих электрострикцией, но не являющихся пьезоэлектриками, не сопровождается возникновением электрической поляризации и соответственно электрического поля: в средах, обладающих центром симметрии. Однородная деформация, возникающая под действием механических напряжений, вызывает однородное изменение расстояний между зарядами атомов и, следовательно, не приводит к появлению электрического момента, т.е. поляризации. Поэтому, в принципе, электрострикцию можно использовать для возбуждения звука (с удвоенной по отношению к электрическому полю частотой), но не для преобразования звуковых колебаний в электрические сигналы.

Количественно электрострикционная деформация твердых тел меньше, чем пьезоэлектрическая. Величина q обусловленной электрострикцией деформации в кристаллах не превышает по порядку величины 3∙10^-10.

Электрострикция наблюдается в жидкостях, газах, обладающих дипольными моментами. Среди жидкостей наибольшей электрострикцией также обладают дипольные, хотя, в принципе, зависимость плотности от электрического поля  имеет место в любой диэлектрической жидкости. Для постоянной электрострикции для изотропного вещества согласно термодинамической теории можно записать:

, (2.10)

 где   - сжимаемость;

 - плотность;

 - диэлектрическая проницаемость.

 Наличие свободных зарядов (электронов и ионов) не исключает электрострикцию, которая наблюдается не только у чистых диэлектриков, но и у ионизированных газов, электролитов и полупроводников, однако, вследствие экранирования свободными зарядами, поле, действующее на связанные с атомами заряды, оказывается уменьшенным. В сильно проводящих средах, например, в металлах, электрическое поле равно нулю и, следовательно, электрострикция отсутствует.

Особую роль играет электрострикция у сегнетоэлектриков, где аномально  большой пьезоэффект  обусловлен, так называемой, линеаризованной электрострикцией, которая имеет место благодаря наличию в сегнетоэлектриках постоянной, не зависящей от внешнего поля, спонтанной поляризации P_S и, следовательно, большого спонтанного внутреннего поля E_S, пропорционального P_S. При воздействии переменного внешнего поля с амплитудой E  E_S основную роль в выражении для эффекта электрострикции приобретает компонент  с частотой переменного поля и амплитудой, пропорциональной произведению E_SE. Напряженность поля E_S входит в качестве одного из сомножителей в выражение (), тем самым линеаризуя и усиливая деформацию, возникающую в результате приложения внешнего поля.

Данный эффект широко применяется в электрострикционных преобразователях.

К достоинствам таких преобразователей можно отнести высокую чувствительность, равномерность частотной характеристики и низкий уровень собственного шума. Электрострикционные преобразователи имеют малую температурную зависимость чувствительности, резонансной частоты, электрического импеданса и т.п.

К недостаткам относятся - сравнительная сложность конструкции и необходимость применения согласующих каскадов в непосредственной близости от чувствительного элемента, малая электрическая емкость преобразователя (несколько десятков пикофарад) и большое сопротивление нагрузки. Это исключают возможность присоединения электростикционного преобразователя к усилительному устройству кабелем даже малой длины, т.к. в этом случае чувствительность резко падает в результате того, что емкость микрофона шунтируется емкостью кабеля. В качестве согласующих устройств используются либо катодные повторители на миниатюрных электронных лампах, либо каскады, выполненные на полевых транзисторах.

Для увеличения чувствительности электрострикционных преобразователей на неподвижном электроде делают канавки или выемки и повышают поляризующее напряжение U₀, однако величина U₀ ограничена опасностью электрического пробоя между обкладками конденсатора. Обычно U₀  не превышает 250 В.

Электрострикционные преобразователи могут работать и без поляризующего напряжения. Это достигается применением в устройствах материалов, несущих на себе постоянный электрический заряд (электреты). Электретная полимерная пленка помещается в зазоре между электродами. Свойства полимерных электретов позволяют обеспечить стабильную работу преобразователей в течение десятков лет при заряде, соответствующем напряжению 150В.

В диапазоне звуковых частот чувствительность электрострикционных преобразователей колеблется в пределах 5-50 мВ/Па. При динамическом диапазоне 10-150 дБ. У более высокочастотных электрострикционных преобразователей (известны миниатюрные электрострикционные преобразователи с линейной характеристикой вплоть  до 100-140 кГц) чувствительность снижена до 0,5-3 мВ/Па, зато они могут работать в полях со звуковыми давлениями до 174-184 дБ.

Разновидностью электрострикционных преобразователей являются акустические зонды, предназначенные для измерений в малых объемах и труднодоступных местах. Для этого служат трубчатые звукопроводы. Такие зонды могут выполняться как обычные конденсаторные микрофоны, но снабжены трубчатыми насадками разной длины и диаметра, либо иметь "бесконечную" длинную линию, обеспечивающую режим бегущей волны в приемной трубке с целью устранения в ней нежелательных резонансов.

Электрострикционные преобразователи, предназначенные для измерения колебаний поверхностей твердых тел, устроены, в принципе, аналогично электрострикционным преобразователям для воздушной среды, только подвижным электродом служит сама колеблющаяся поверхность тела, амплитуду колебаний которой необходимо измерить. В таких электрострикционных преобразователях чаще применяется способ измерения амплитуды колебаний, основанный на частотной модуляции. Детектируя полученный высокочастотный сигнал, можно определить частоту и амплитуду колебаний вибрирующей поверхности.