4.1.5. 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 SiO₂, 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^оС виникає електричне поле Е ~ 410⁴ B/м. 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. Постійний струм. Електропровідність біологічних тканин

4.2.1. 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 I визначається відношенням кількості заряду dq, який переноситься через переріз провідника, до проміжку часу dt, за який цей заряд переноситься:

I = dq/dt = q (t). (4.27)

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

I = q/t. (4.28)

Одиниця сили струму (Ампер) в системі СІ є основною одиницею, тобто [I] = A. Тоді з формули (4.28) можна визначити одиницю кількісті електрики (Кулон): це такий заряд, що проходить за 1 с через провідник при силі струму 1 Ампер: [q] = Kл = Ac.

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

j = dI/dS. (4.29)

У випадку постійного струму

j = I/S. (4.30)

Розмірність густини струму [j] = А/м². Густина струму – векторна величина; вона має напрямок середньої швидкості  впо­рядко­ва­ного руху позитивних носіїв струму

j = nq₀ υ, (4.31)

де n – концентрація вільних носіїв, q₀ = ze – заряд одного вільного носія, e = 1.610^–19 Кл – елементарний електричний заряд, z – ціле число (у випадку електролітів z – валентність іона).

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

U/I = R. (4.32)

Величину R називають опором провідника. Формула (4.32) ви­ражає закон Ома в інтегральній формі, який був вста­нов­­ле­ний Г. Омом у 1827 р. Опір однорідного провідника з не­змінним перерізом прямо­про­порційний його довжині l і обер­нено пропорційний площі поперечного перерізу S, тобто

, (4.33)

де  – питомий опір. Величину , обернену до питомого опору, називають питомою електропровідністю:  = ^–1.

Підставивши (4.30), (4.33) в (4.32) і врахувавши (4.11), отримаємо

j = E/.

Оскільки напрямки векторів j та E збігаються, можна записати:

j = E = E = –  . (4.34)

Рівняння (4.34) 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.