Диэлектрические свойства вещества
Диэлектрики - вещества, плохо про водящие электрический ток. Термин «Диэлектрик» введён М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе, помещённом 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.
Пьезоэлектрический эффект
Входы: сила.
Выходы: поляризация.
Графическая иллюстрация:
Рис.2.40. Схема изображения прямого пьезоэффекта, стрелкой F обозначена механическая сила, штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями - контуры после деформации пьезоэлектрика; Р - вектор поляризации
Рис.2.41. Схематичные изображения, поясняющие продольный (а) и поперечный (б) пьезоэффекты
Сущность:
Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков (рис.2.40, 2.41). При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом. Плотность пьезоэлектрических зарядов пропорциональна величине вектора поляризации Р.
Математическое описание:
Пьезоэффект описывается линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением T:
P = βT , где β –пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль);
∆d/d = βE;
Е – напряженность электрического поля;
d – толщина кристалла,
∆d – деформация кристалла.
Пределы изменения параметров:
β=1..1500*10-12 Кл/м2,
d – несколько мм,
∆d- несколько мкм.
Применение: применение как в промышленности - датчики различных физических величин (ускорения, давления, изменения размеров), так и быту (пьезозажигалки).
2.8.2. Обратный пьезоэлектрический эффект
Входы: электрическое напряжение.
Выходы: деформация.
Графическая иллюстрация:
Рис.2.42. Схема структуры кварца (а) и возникновения обратного пьезоэлектрического эффекта(б)
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 6). 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:
r=βE , где
r - деформация;
Е - напряженность электрического поля,
β- пьезомодуль (для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение).
β=1..1500*10-12 Кл/м2.
Применение: дефектоскопия, гидроакустика, радиовещание, резонаторы, фильтры.
Патент США. № 3239282. 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. А ток заставляет пьезоэлектрик сжиматься и разжиматься, создавая вибрацию, уничтожающую трение.