3.8. Практическое применение сегнетоэлектриков и пьезоэлектриков

Резкое изменение и проводимости при изменении температуры вблизи фазового перехода в некоторых сегнетоэлектриках используется для контроля и измерения температуры. Большая величина(порядка нескольких тысяч) и сильная зависимостьот напряженности электрического поля обусловливает применение этих материалов в нелинейных конденсаторах - варикондах.

3.9. Пьезоэлектрические свойства сегнетоэлектриков

В неполяризованном состоянии сегнетоэлектрики не обладают пъезоэффектом. Если же сегнетоэлектрик поляризовать во внешнем электрическом поле, то он становится пъезоэлектриком. Большой пъезоэффект керамических сегнетоэлектриков при хорошей его стабильности в широком интервале температуры, а также большая механическая прочность пъезоэлементов из сегнетокерамики делают их незаменимыми в различных электроакустических устройствах.

3.10. Электроакустические преобразователи

Пьезоэлектрический эффект лежит в основе работы электромеханических или электроакустических преобразователей. Преобразователь состоит из отдельных или объединенных в группы пьезоэлементов (стержней, пластинок, дисков и т.п из пьезоэлектрического материала) с нанесенными на определенные поверхности электродами. С электродов снимается электрический заряд, образующийся при прямом пьезоэффекте, или к ним подводится электрическое напряжение для создания деформации.

В зависимости от назначения и диапазона рабочих частот для изготовления преобразователей применяют различные материалы, наиболее часто - пьезокерамику. Максимальная мощность преобразователя ограничивается допустимой напряженностью электрического поля и механической прочностью, а так же его разогревом. Сегнетокерамические пъезоэлементы можно изготавливать сложной конфигурации и больших габаритов, что очень важно, например, для увеличения мощности ультразвуковых излучателей в гидроакустике.

§ 4. Проводники в электрическом поле. Электроемкость. Конденсаторы

4.1 Равновесие зарядов на проводнике

К проводникам относятся те вещества, в которых под действием внешнего электрического поля могут свободно перемещаться электрические заряды.

Различают проводники первого ивторогорода. К проводникам первого рода относятся металлы и плазма. Перемещение зарядов в проводниках первого рода не связано с изменением химического состава и с переносом вещества. К проводникам второго рода относятся электролиты. Носителями зарядов в электролитах являются положительные и отрицательные ионы, перемещение которых обусловливает перенос вещества и изменение химического состава проводника.

Сообщим проводящему телу заряд q. Он распределится по объему проводника и на его поверхности с некоторой поверхностной плотностью. Выясним условия равновесия зарядов на проводниках первого рода.

Для того, чтобы свободные заряды не перемещалисьвнутри проводника, необходимо чтобынапряженность электрического поля была равна нулю, т.е.

. (4.1)

Из этого условия и формулы (1.81) следует, что во всех точках внутри проводника потенциал имеет одинаковые значения, т.е.

_{(внутри)}=const.

Для того, чтобы заряды на поверхности проводника были в равновесии, необходимо, чтобы в каждой точке снаружи напряженность поля была направлена по нормали к поверхности, т.е. вектор должен быть ориентирован параллельно вектору внешней нормали:

_{снаружи}  S или . (4.2)

В соответствии с изложенным в разделе (1.8.2) заключаем, что и поверхность проводника является эквипотенциальной, т.е.

_{(на поверхности)}=const.

Выделим внутри проводника замкнутую поверхность S(рис. 4.1)

Зарядq должен распределиться так, чтобы соблюдались условия равновесия (4.1) и (4.2). Поскольку внутри проводника=0, то поток векторачерез поверхностьS равен нулю. Согласно теореме Гаусса-Остроградского (формула 2.21) заряд охватываемый поверхностью, также равен нулю. Поскольку этот результат справедлив для любой замкнутой поверхности внутри проводника, остаётся заключить,чтовесь заряд q распределится по поверхности проводника с некоторой поверхностной плотностью .

Применив теорему Гаусса-Остроградского, можно показать, что напряженность поля, возникшего вблизи поверхности заряженного проводника, будет направлена по нормали к поверхности и равна

(4.3)

Рассмотрим распределение зарядов на поверхности проводника, изображенного на рис. 4.2. Напряженность поля больше у острия, т.к. там линии эквипотенциальных поверхностей располагаются гуще, следовательно, и больше отношение l.

Согласно (4.3), чем больше Е, тем больше,следовательно, на остриях плотность заряда велика, что может даже вызвать ионизацию молекул окружающего газа.

При значенияхЕ 30кв/см начинается ионизация молекул воздуха и наблюдается «истечение» зарядов с острия. Возникает так называемый «электрический ветер», вызванный движением ионов в электрическом поле острия.

Это свойство острия используют в молниеуловителях (громоотводах), когда между зарядом атмосферы и зарядом иного знака, индуцированном на проводнике (громоотводе), возникает разряд-молния.