- •Электричество и постоянный ток Электронный учебник по физике кгту-кхти. Кафедра физики. Старостина и.А., Кондратьева о.И., Бурдова е.В.
- •Оглавление
- •Электричество и постоянный ток
- •1. Электростатика.
- •1.1. Электрические заряды. Закон сохранения электрического заряда.
- •1.2. Закон Кулона.
- •1. 3. Электростатическое поле и его напряженность.
- •1.4. Графическое изображение электростатических полей
- •1. 5. Принцип суперпозиции электростатических полей.
- •1.6. Электростатическое поле электрического диполя.
- •1.7. Поток вектора напряженности электростатического поля
- •1. 8. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме.
- •1. 9. Применение теоремы Гаусса для расчета напряженности электростатического поля.
- •1 Рис.1.12. К определению работы перемещения заряда в электростатическом поле. .10. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда.
- •1.11. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля.
- •1.12. Потенциальная энергия и потенциал электростатического поля.
- •1.13. Связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности.
- •1.14. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля
- •1.15. Диэлектрики в электрическом поле
- •1.15.1. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.
- •1.15.2. Вектор поляризации и диэлектрическая восприимчивость диэлектриков
- •1.15.3. Напряженность поля в диэлектрике
- •1.15.4. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
- •1.15.5. Сегнетоэлектрики
- •1.15.6. Пьезоэлектрический эффект.
- •1. 16. Проводники в электростатическом поле
- •1. 17. Электрическая емкость уединенного проводника
- •1. 18. Взаимная электроемкость. Конденсаторы
- •1. 19. Энергия заряженного уединенного проводника, конденсатора. Энергия электростатического поля
- •2. Постоянный электрический ток
- •2.1. Электрический ток, сила и плотность тока
- •2.2. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
- •2.3. Закон Ома для участка и полной замкнутой цепи
- •2.4. Сопротивление проводника. Явление сверхпроводимости.
- •2.5. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца.
- •2. 6. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей.
- •3. Электрические токи в металлах, вакууме и полупроводниках
- •3.1. Опытные доказательства электронной проводимости металлов.
- •3.2. Основные положения классической теории электропроводности металлов
- •3. 3. Работа выхода электрона из металла. Контактная разность потенциалов.
- •3. 4. Термоэлектрические явления
- •3. 5. Электрический ток в вакуумном диоде
- •3. 6. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
- •3.7. Элементы современной квантовой или зонной теории твердых тел.
1.15.6. Пьезоэлектрический эффект.
При деформации некоторых кристаллических, не имеющих центра симметрии, полярных диэлектриков (включая все сегнетоэлектрики) была обнаружена электрическая поляризация. Это явление было открыто и первоначально изучено братьями П. и Ж.Кюри в 1880 г., и получило название пьезоэлектрического эффекта. Наиболее подробно этот эффект изучен у кристаллов кварца, турмалина, сахара, сегнетовой соли, борацита и др.
Рассмотрим пьезоэлектрические свойства кристалла кварца. Главная ось кристалла Z (рис.1.22 а) называется оптической осью. Из кристалла вырезается пластинка в виде прямоугольного параллелепипеда, у которого ребро b (высота) - параллельна Z, ребра l (длина) и d (толщина) - параллельны осям x и y.
Рис.1.22.
Пьезоэлектрический эффект на пластине
кварца: а)
оси кристалла, б)
поляризация пластины при сжатии и
растяжении.
На рисунке 1.22 б представлен срез нашей пластинки в направлении, перпендикулярном Z. Сплошными стрелками обозначено сжатие пластины (опыт 1), пунктирными - растяжение (опыт 2). В обоих случаях на гранях, параллельных Z и x и перпендикулярных y, образуются заряды разных знаков, как указано на рисунке 1.22 б. Если сжатие и растяжение поменять местами, то и знаки электрических зарядов на указанных гранях изменятся на противоположные.
Сжатие или растяжение вдоль оси Z не вызывает пьезоэлектрического эффекта. Объяснение эффекта заключается в том, что под действием упругой деформации молекулярные диполи могут определенным образом поворачиваться и на противоположных гранях пластинки появляются связанные заряды противоположных знаков. Следовательно, пластинка поляризуется. Величина вектора поляризации пропорциональна механическому напряжению, а общая величина появляющихся при этом поверхностных зарядов пропорциональна приложенной силе.
В подобных кристаллах наблюдается и обратный пьезоэлектрический эффект. Если к пластине из пьезокристалла приложить внешнюю разность потенциалов, то, вследствие ориентации диполей, будет возникать деформация сжатия или растяжения. Пусть электрическое поле направлено по оси x, тогда пластинка в этом направлении будет испытывать растяжение (продольный обратный пьезоэлектрический эффект), и одновременно - сжатие по оси y (поперечный обратный пьезоэлектрический эффект).
Пьезоэлектрические кристаллы используются в качестве простых устройств, преобразующих механические колебания в электрические. На пьезокристаллах работают микрофоны, громкоговорители, некоторые вольтметры и осциллографы, различная военная аппаратура. Без пьезокристаллов невозможно работа мощных ультразвуковых излучателей, которые служат для обнаружения препятствий в воде - подводных лодок, айсбергов и т.п. Для измерения давления часто используются датчики давления на основе пьезоэлектрического эффекта. Преимуществом его перед другими типами манометров является очень малая инерционность, весьма широкий диапазон измеряемых давлений, способность регистрировать быстрые изменения давления.
Изменение размеров тел под действием внешнего электрического поля в общем случае называется электрострикцией. Последняя имеет место во всех диэлектриках (твердых, жидких, газообразных). Деформация при электрострикции пропорциональна квадрату напряженности поля Е2 и при изменении направления поля не меняется.