2.1.5. П'єзоелектричний ефект

У деяких речовин (п'єзоелектрики) при механічних деформаціях у певних напрямках виникає електрична поля­ризація навіть за відсутності електричного поля (прямий п'єзоефект). Наслідком прямого п'єзоефекту є зворотний п'єзоефект - поява механічних деформацій під дією елек­тричного поля.

П'єзоефект можна спостерігати лише в кристалах, які не мають центра симетрії. Прикладом є кварц на якому вперше Ж. і П. Кюрі в 1880 р. спостерігали і досліджували п'єзоефект. П'єзоефект можна створювати і у деяких некристалічних діелектриках за рахунок появи в них так званої п'єзоелектричної текстури, викликаної поляри­зацією в електричному полі (п'єзокераміка), механічною обробкою (деревина) тощо. Суттєвий п'єзоефект виникає в кістковій тканині за наявності деформації зсуву, а також в сухожиллях і шкірі. Причина ефекту - деформація колагену, основного білка з'єднувальних тканин. Під час деформації стиснення і розтягу п'єзоефект в колагені не виникає.

П'єзоефект використовується в акустоелектроніці для створення джерел УЗ хвиль, випромінювачів і приймачів звуку, в мікрофонах, резонаторах, тобто у тих випадках, коли необхідно перетворити механічні коливання в елек­тричні або навпаки. Крім того, у медицині п'єзоефект вико­ристовують в датчиках для вимірювання пульсу, у віброметрах - приладах для вимірювання вібрацій. Поляри­зація діелектриків за відсутності електричного поля відбувається не тільки в п'єзоелектриках, а також і в піроелектриках,електретах.

Піроелектрики - кристали, в яких зміна спонтанної поляризації відбувається при зміні температури. Типовий піроелектрик - турмалін. В ньому при зміні температури на 1 °С виникає електричне поле Піроелектрики -

приймачі та індикатори випромінювань.

Електрети - речовини, які здатні тривалий час зберіга­ти відмінний від нуля вектор поляризації, створюючи в навколишньому просторі власне електричне поле. З цієї точки зору електрети подібні до постійних магнітів, які створюють власне магнітне поле. Перший електрет був створений у 1922 р. японським фізиком Єгуччі. Він розпла­вив речовину, що складається з полярних молекул, помістив її у сильне електричне поле, тобто зорієнтував ди­польні моменти молекул, потім охолодив. Це так звані термоелектрети. Існують також фотоелектрети, радіоелектрети, механоелектрети тощо. Електрети застосовують як джерела постійного електричного поля, а також як чутливі датчики в приладах дозиметрії, електронної пам'яті.

2.2. Постійний струм. Електропровідність біологічних тканин

2.2.1. Характеристики електричного струму

Електричним струмом називають впорядкований (напрямлений) рух електричних зарядів.

Електричний струм має властивість теплової, хімічної і магнітної дії, причому магнітна дія струму проявляється в усіх без винятку провідниках, теплова дія відсутня у над­провідниках, хімічна дія проявляється переважно в електролітах. Кількісно електричний струм характеризується силою струму та густиною електричного струму.

Сила струму І визначається відношенням кількості за­ряду , який переноситься через переріз провідника, до проміжку часу, за який цей заряд переноситься:

(2.27)

Якщо за будь-які однакові проміжки часу переносяться однакові кількості електричного заряду, такий струм нази­вається постійним. Тоді

(2.28)

Одиниця сили струму (Ампер) в системі СІ є основною одиницею, тобто Тоді з формули (2.28) можна ви-

значити одиницю кількісті електрики (Кулон): це такий за­ряд, що проходить за 1 с через провідник при силі струму 1 Ампер:

Густина струму - величина, яка дорівнює відношен­ню сили струму до площі поперечного перерізу провід­ника dS, через яку цей струм проходить:

(2.29)

У випадку постійного струму

(2.30)

Розмірність густини струму Густина струму - векторна величина; вона має напрямок середньої швидкості V впорядкованого руху позитивних носіїв струму

(2.31)

де п - концентрація вільних носіїв, - заряд одного вільного носія, - елементарний електричний заряд, - ціле число (у випадку електролітів - валентність іона).

Закон Ома. У більшості випадків за сталої температури відношення напруги на кінцях провідника U до величини струму І в ньому є величина стала, тобто

(2.32)

Величину R називають опором провідника. Формула (2.32) виражає закон Ома в інтегральній формі, який був вста­новлений Г. Омом у 1827 р. Опір однорідного провідника з незмінним перерізом прямопропорційний його довжині / і обернено пропорційний площі поперечного перерізу S, тоб­то

(2.33)

де - питомий опір. Величинуобернену до питомого опору, називають питомою електропровідністю :

Підставивши (2.30), (2.33) в (2.32) і врахувавши (2.11), отримаємо

Оскільки напрямки векторів j та Е збігаються, можна записати:

(2.34)

Рівняння (2.34) виражає закон Ома в диференційній формі: густина струму пропорційна напруженості електричного поля і має однаковий з нею напрям. Закон Ома в такому вигляді встановлює зв'язок між величинами, які відносяться до даної точки провідника (локально), тому він застосовний і до неоднорідних провідників.