Физика. Использование интернет технологий в курсе общей физики. Ч.2. Учебное пособие

почти у всех диэлектриков-величина постоянная. Кристаллические решетки большинства диэлектриков построены из положительных и отрицательных ионов. Из кристаллических веществ наиболее высокой симметрией обладают кристаллы с кубической решеткой. Под действием внешнего электрического поля кристалл поляризуется, и симметрия его понижается. Когда внешнее поле исчезает, кристалл восстанавливает свою симметрию. В

некоторых кристаллах электрическая поляризация может возникать и при отсутствии внешнего поля-спонтанно. Обычно спонтанная поляризация неоднородна, кристалл разбивается на домены-области с однородной поляризацией. Развитие многодоменной структуры уменьшает суммарную поляризацию. В пироэлектриках спонтанная поляризация экранируется свободными зарядами, которые компенсируют связанные заряды. Нагревание пироэлектрика изменяет его поляризацию. Пори температуре плавления пироэлектрические свойства исчезают вовсе. Часть пироэлектриков относится к сегнетоэлектрикам. У них направление поляризации может быть изменено внешним электрическим полем. Существует гистерезисная зависимость между переориентацией поляризации сегнетоэлектрика и величиной внешнего поля. В достаточно слабых полях поляризация линейно зависит от величины поля. При его дальнейшем увеличении все домены ориентируются по направлению поля, переходя в режим насыщения. При уменьшении поля до нуля, кристалл остается поляризованным. Поле, при котором происходит изменение направления поляризации, называют коэрцитивной силой. В итоге кристалл полностью меняет направление поляризации. При очередном изменении поля кривая поляризации замыкается. Однако, сегнетоэлектрическое состояние кристалла существует лишь в определенной области температур. В частности, сегнетова соль имеет две точки Кюри: -180С и +240С, в которых происходят фазовые переходы второго рода.

Микроскопическая теория фазовых переходов разделяет сегнетоэлектрики на две группы:

титанат бария относят к первой группе-группе сегнетоэлектриков типа смещения. В

неполярном состоянии титанат бария имеет кубическую симметрию. При фазовом переходе в полярное состояние ионные подрешетки смещаются, симметрия кристаллической структуры понижается. Ко второй группе относят кристаллы типа нитрата натрия, у которых в неполярной фазе имеется разупорядоченная подрешетка структурных элементов. Здесь фазовый переход в полярное состояние связан с упорядочиванием структуры кристалла. Причем, в различных кристаллах может быть два или несколько вероятных положений равновесия. Существуют кристаллы, в которых цепочки диполей имеют антипараллельные ориентации. Суммарный дипольный момент таких кристаллов равен нулю. Такие кристаллы называют антисегнетоэлектриками. В

антисегнетоэлектриках зависимость поляризации линейная, вплоть до критического

- 31 -

значения поля. Дальнейшее увеличение величины поля сопровождается переходом в сегнетоэлектрическую фазу.

Существует еще одна группа кристаллов-сегнетоэлектриков. Ориентация дипольных моментов у них такова, что по одному направлению они имеют свойства антисегнетоэлектриков, а по другому-сегнетоэлектриков. Фазовые переходы у сегнетоэлектриков бывают двух родов. При фазовом переходе второго рода в точке Кюри спонтанная поляризация плавно уменьшается до нуля, а диэлектрическая восприимчивость, резко меняясь, достигает огромных величин. При фазовом переходе первого рода поляризация исчезает скачком, и так же скачком изменяется диэлектрическая восприимчивость. Большая величина диэлектрической проницаемости и вектора поляризации сегнетоэлектриков делает их перспективными материалами современной техники. Так уже широко используют нелинейные свойства прозрачной сегнетокерамики. Чем ярче свет, тем сильнее он поглощается специальными очками,

которые эффективно защищают зрение рабочих в некоторых производствах, связанными с внезапными и интенсивными вспышками света. Для передачи информации с помощью лазерного луча применяют сегнетоэлектрические кристаллы с электрооптическим эффектом. В пределах прямой видимости лазерный луч модулируется в кристалле, затем модулированный луч попадает в комплекс приемной аппаратуры, где информация выделяется и воспроизводится.

В1880 году братья Кюри обнаружили, что в процессе деформации сегнетовой соли на

ееповерхности возникают поляризационные заряды. Это явление было названо прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Если на кристалл воздействовать внешним электрическим полем, он начинает деформироваться. То есть, возникает обратный пьезоэлектрический эффект. Однако, эти изменения не наблюдаются в кристаллах, имеющих центр симметрии. Например, в

сульфиде свинца. Если на такой кристалл воздействовать внешним электрическим полем,

подрешетки отрицательных и положительных ионов сместятся в противоположную сторону. Это приводит к поляризации кристалла. В данном случае мы наблюдаем электрострикцию, при которой деформация пропорциональна квадрату электрического поля. Поэтому электрострикцию относят к классу четных эффектов. Если такой кристалл растягивать или сжимать, то электрические моменты положительных диполей будут равны по величине электрическим моментам отрицательных диполей. То есть, изменения поляризации диэлектрика не происходит, и пьезоэффект не возникает.

В кристаллах с низкой симметрией при деформации появляются дополнительные силы обратного пьезоэффекта, противодействующая внешним эффектам. Таким образом, в

- 32 -

кристалле, у которого нет центра симметрии в распределении зарядов, величина и направление вектора смещения зависят от величины и направления внешнего поля.

Благодаря этому можно осуществлять различные типы деформации пьезокристаллов.

Склеивая пьезоэлектрические пластинки, можно получить элемент, работающий на сжатии либо на изгиб. Если к такому пьезоэлементу приложить переменное поле, в нем возбудятся упругие колебания и возникнут акустические волны. В настоящее время для изготовления пьезоэлектрических изделий применяют пьезокерамику. Она представляет собой поликристаллы сегнетоэлектрических соединений или растворы на их основе.

Изменяя состав компонентов и геометрические формы керамики, можно управлять ее пьезоэлектрическими параметрами. Прямые и обратные пьезолектрические эффекты находят практическое применение в разнообразной электронной аппаратуре.

Механические колебания иглы преобразуются адаптером в электрические; здесь используют прямой пьезоэффект. В телефоне для воспроизведения звуковых колебаний используется обратный пьезоэффект для стабилизации частоты генератора. Многие узлы электроакустической, радиоэлектронной и измерительной аппаратуры-волноводы,

резонаторы, умножители частоты, микросхемы, фильтры-работают, используя свойства пьезоэффекта. Рассмотрим новые примеры внедрения пьезокерамики в электронную технику:в данных двигателях отсутствуют электрические обмотки, здесь работает пьезоэффект. А двигатель называется пьезоэлектрическим. Активным элекментом двигателя служит пьезоэлемент. В течение одного периода колебаний источника переменного электрического поля он растягивается и взаимодействует с ротором, а в другом возвращается в исходное положение. Великолепные электрические и механические характеристики позволяют пьезодвигателям успешно конкурировать с обычными электрическими микромашинами.

Пьезоэлектрические трансформаторы: принцип их действия также основан на использовании свойств пьезокерамики. Под действием входного напряжения возбудителя возникает обратный пьезоэффект. Волна деформации передается в генераторную секцию,

где за счет прямого пьезоэффекта изменяется поляризация диэлектрика, что приводит к изменению выходного напряжения. Так какв пьезотрансформаторе вход и выход гальванически развязаны, то функциональные возможности преобразования входного сигнала по напряжению и току, согласование его с нагрузкой по входу и выходу лучше,

чем у обычных трансформаторов.

Исследование разнообразных явлений сегнетоэлектричества и пьезоэлектричества продолжается, и нет сомнений, что в будущем появятся приборы, основанные на новых и удивительных физических эффектах в твердом теле.

- 33 -

Падение потенциала вдоль проводника

Для понимания данного эксперимента важно учесть два обстоятельства. Первое обстоятельство: хлопчатобумажный шнур с бытовой точки зрения, конечно, диэлектрик и ток не проводит. Но хлопчатобумажный шнур никогда не бывает абсолютно сухим, какое-

то количество влаги, воды в нем всегда есть. Эта влага сорбированная хлопчатобу-

мажными нитями из окружающего воздуха. Поэтому, если речь идет о напряжениях измеряемых десятками киловольт, то привычный хлопчатобумажный шнур превращается в проводник и по нему пойдет, пусть маленький, но отличный от нуля ток.

Второе обстоятельство: необходимо отличать равновесное распределение зарядов на проводнике, когда внутри проводника нет поля, поле на поверхности перпендикулярно к поверхности, все заряды распределены только по поверхности и так далее, от стационарного распределения зарядов на проводнике, это не одно и тоже. Вот по этому проводнику, по этому хлопчатобумажному шнуру, когда мы подадим высокое напряжение, потечет пусть не большой, но отличный от нуля ток, внутри проводника по которому идет постоянный ток существует электрическое поле, стационарное электрическое поле, которое и гонит заряды по проводнику. Электрическое поле всегда направлено в сторону убывания потенциала, это минус градиент потенциала, поэтому чем ближе к источнику, тем больше потенциал поверхности проводника. Чем дальше от источника, тем ниже потенциал поверхности проводника. Индикаторами величины потенциала будут лепесточки тончайшей фольги. Чем больше потенциал поверхности шнура, в том месте, где закреплена эта полоска фольги, тем больший заряд приобретут эти две полоски и тем на больший угол они разойдутся. На дальнем от источника конце потенциал близок нулю ,потому что этот конец заземлен и полоски не разошлись вовсе, и

чем ближе к источнику находятся полоски, тем на больший угол они раскрываются, и

наибольший угол между полосками мы видим вблизи источника высокого напряжения.

Это связано с тем, что требуется некоторое время для установления стационарного распределения зарядов, потенциала, тока и так далее.

- 34 -

2.4 Электродинамика

2.4.1 Постоянный электрический ток в металлах

.

- 35 -

В этом видео («Короткое замыкание») наглядно демонстрируется ситуация, когда происходит короткое замыкание в электрическом щите с большими токами. Специально установлен манекен, на него установлены датчики, и проводится тестирование несчастного случая. После подачи напряжение на электрощит, где создано КЗ, происходит электрический взрыв проводников. Это приводит к серьёзным повреждениям манекена.

Так что будьте внимательны при работе с электричеством,

2.4.2 Виды электрического тока а) электрический ток в жидкостях

Советский учебный фильм. Закон Фарадея. Электролитическая диссоциация. Зависимость сопротивления жидкостей от температуры

- 36 -

б) электрический ток в газах

Молния - гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране и др. Ток в разряде молнии достигает 10-300 тысяч ампер, напряжение - от десятков миллионов до миллиарда вольт. Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.

- 37 -

Плазма

Любое вещество может находиться в четырёх агрегатных состояниях.

При низкой температуре это твёрдое тело, при нагреве тело начинает плавиться переходит в жидкое состояние, при дальнейшем нагреве жидкость кипит переходит в парообразное состояние, и наконец при высокой температуре вещество становится плазмой это четвертое состояние вещества.

В плазменном состоянии находятся все звезды, в том числе и ближайшая к нам звезда Солнце, температура на поверхности солнца достигает 6000 градусов.

Мы наблюдаем плазму в процессе сварки, горячие газы вырываются из сопла работающей ракеты в плазменном состоянии, плазма является разряд между облаками и землёй во время грозы, которые мы называем молнией. Такой электрический плазменный шнур мы сейчас с вами посмотрим на опыте. С помощью специальной индукционной катушке возникает большое напряжение между медными электродами и возникает пробой воздуха, возникает плазменный шнур. Он увлекается нагретым воздухом вверх,

поднимается вверх в область, где расстояние между электродами большое и напряжения на катушке уже недостаточно для того чтобы пробить воздух и создать плазменный шнур.

Плазменный шнур исчезает, но тут же появляется новый внизу и процесс повторяется.

Подадим напряжение на катушку. Вы наблюдаете плазменной шнур, который перемещается вверх, гаснет и вновь появляется внизу.

в) электрический ток в вакууме Термоэлектронная эмиссия.avi

Вакуум – это пустота. В пустоте нет заряженных частиц, поэтому чтобы в вакууме возник электрический ток, мы должны в вакуум поместить заряженные частицы. Такими заряженными частицами, как правило, являются электроны. И явление, которое позволяет эти частицы поместить в вакуум, называется термоэлектронная эмиссия, и также существует явление фотоэмиссия, которая позволяет достигнуть того же самого эффекта.

- 38 -

Термоэлектронная эмиссия состоит в том, что, если металлы нагреть на достаточную высокую температуру, они начинают испускать электроны. Фотоэмиссия – это явление,

когда металлы при облучении их электромагнитным излучением, способны тоже испускать электроны. Ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, в

некоторых случаях и видимый свет тоже способны выбивать электроны. Чаще для технических устройств используется явление термоэлектронная эмиссия, потому что для этого нужно просто подогреть металл, например, пропустить через него электрический ток. Устройство, которое основано на протекании электрического тока в вакууме,

называется вакуумный диод. Назначение вакуумного диода такое же, как назначение полупроводникового диода. Вакуумный диод пропускает ток в одном направлении и не пропускает в другом.

Вакуумный диод состоит из стеклянной лампы, из которой откачен воздух и создан относительно полный вакуум. В нее впаяно две металлические пластины: одна пластина – подогревается, т.е. есть нить накала и называется катод; другая пластина не подогревается и называется анод. Если подключим отрицательный полюс источника тока к катоду, а

положительный к аноду и пропустим ток через нагревательный элементчерез нить накала, то из катода начнут вылетать электроны. Эти электроны будут отталкиваться от катода и притягиваться к аноду, в результате возникнет движение электронов в вакууме, и

во всей цепи пойдет электрический ток, причем чем больше будет напряжение, тем большее количество электронов, выбитых за счет термоэлектронной эмиссии, будут доходить для анода, сила тока будет возрастать. Посмотрим, как этот процесс можно изобразить в виде зависимости силы тока от напряжения. Если напряжение здесь очень маленькое или равняется нулю, т.е. анод и катод соединим между собой накоротко. В этом случае часть электронов, которые будут вылетать с катода, будут доходить до анода, т.е.

будет небольшой ток. По мере того как мы будем увеличивать напряжение, у нас все большая часть электронов, которые выбиты за счет термоэлектронной эмиссии, будут достигать анода. И сила тока будет нарастать. После того как напряжение достигнет некого критического значения, все электроны, которые выбиты с катода дойдут до анода,

и, таким образом, установится постоянное значение силы тока, которое связано с тем,

сколько электронов выбивается за счет термоэлектронной эмиссии. Сила тока при этом называется током насыщения. Даже если мы будем увеличивать напряжение, сила тока уже возникать не будет. Если же поменяем плюс и минус местами и подадим небольшое напряжение, все-таки какие-то электроны будут достигать до анода и ток будет, но очень небольшой. Если напряжение будет больше определенной величины, и электроны будут лететь туда, но отталкиваться к минусу и возвращаться обратно. В этом случае ток вообще

- 39 -

прекратиться. Таким образом, получается, если прямое подключение-минус с одной стороны, плюс с другой, то ток идет и по мере его увеличения напряжения, увеличивается сила тока. При изменении полярности сила тока сразу убывает до нуля. Если вспомним,

вольтамперную характеристику полупроводникового диода, то она с одной стороны довольно сильно отличается. Большой ток при подаче положительного напряжения и отсутствие тока в случае вакуумного диода, и небольшой ток в случае полупроводникового диода в случае обратного подключения. Здесь есть ток насыщения,

сила тока растет, чем больше напряжение. Но во многих случаях вольтамперную характеристику вакуумного диода приблизительно рисуем вот так в некоторой области, и

вольтамперную характеристику полупроводникового диода тоже рисуем некой прямой линией, сила тока отсутствует. Часто для расчета реальных цепей нужно довольно грубое значение расчетное и тогда все особенности - все выгибы заменяем прямой линией.

Теперь посмотрим, как реализуется в реальном приборе. Есть катод внутри виде цилиндрической пластинке, внутри его имеется нить накала, через которую проходит электрический ток, она нагревается сама и нагревается катод и вокруг него цилиндрический анод, форма его сделана не случайно, а для того чтоб максимально эффективно электроны достигали анода, если они вылетают с катода. Вакуумный диод имеет ряд преимуществ перед полупроводниковым. В первую очередь это малая чувствительность к увеличению температуры, к ионизирующему излучению, к другим факторам, ток более стабильный - он меньше скачет при постоянном напряжении,

меньше помех и шумов, которые возникают в процессе протекания тока. Но главный недостаток вакуумного прибора – значительно громоздкий и дорогой в изготовлении.

Вакуумные диоды уступают место полупроводниковым, потому что они дешевле и более компактны.

Вакуумный транзистор. Назначение его примерно такое же, как назначение полупроводникового транзистора. Т.е. любой транзистор позволяет управлять током при помощи другого тока. Итак, какие элементы имеет вакуумный транзистор. Во-первых, тот же самый катод, который иногда совмещен с нагревательной спиралью, т.е. ток пропускается через сам катод, катод нагревается и из него вылетают электроны засчет термоэлектронной эмиссии. Имеется анод, и появляется новый элемент – это сетка. Сетка

- это тоже электрод, но виде сетчатой конструкции. В результате электроны, которые вылетают с катода за счет термоэлектронной эмиссии, будут проходить мимо сетки и достигать анода. Это в том случае, если на катод подаем напряжение отрицательное, а на анод положительное, ток идет как и в вакуумном диоде. Но если на сетку подадим небольшое отрицательное напряжение, то электроны, которые выбиваются с катода,

- 40 -