Содержание

1. Цели и задачи изучения дисциплины «ФОПИ»

2. Пьезоэлектрический эффект

3. Пироэлектрический эффект

4. Фотогальванический эффект

5. Термоэлектрический эффект

6. Тензорезистивный эффект

7. Эффект Холла

8. Эффект Зеемана

9. Эффект Штарка

10. Радиоактивность и её измерение

11. Эффект Поккельса

12. Эффект Керра

13. Измерение расстояний

14. Измерение масс вещества

15. Эффект Доплера

16. Измерение ускорений

17. Список использованной литературы

1. Цели и задачи изучения дисциплины «фопи»

Содержание дисциплины включает в себя следующие разделы: измерительное преобразование как основа методов и средств измерения физических величин; физические основы измерительных преобразований в низкочастотных электромагнитных, радиоволновых, акустических, тепловых, оптических полях и полях ионизирующих излучений, основы физического и математического моделирования измерительных преобразований в различных физических полях.

Дисциплина нацелена на формирование ряда общекультурных компетенций и профессиональных компетенций выпускника согласно ООП «Приборостроение»:

• способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1);

• способность рассчитывать и проектировать элементы и устройства, основанные на различных физических принципах действия (ПК-7);

• способность участвовать в разработке функциональных и структурных схем приборов (ПК-10);

• способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения, владение культурой мышления (ОК-1);

• способность логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь, создавать тексты профессионального назначения (ОК-2);

• способность критически оценивать свои достоинства и недостатки, наметить пути и выбрать средства развития достоинств и устранения недостатков (ОК-8);

• способность понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознание опасности и угроз, возникающих в этом процессе, соблюдение основных требований информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны (ОК-11);

• способность применять основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12);

• способность проводить исследования, обрабатывать и представлять экспериментальные данные (ПК-4);

• способность выполнять математическое моделирование процессов и объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований (ПК-23);

способность проводить измерения и исследования по заданной методике с выбором средств измерений и обработкой результатов (ПК-25).

2. Пьезоэлектрический эффект

В 1880 г. Жак и Пьер Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект, который, как выяснилось позже, присущ ряду кристаллов, принадлежащих к определенным кристаллографическим классам.

Сущность его заключается в следующем. При определенных типах кристаллофизической симметрии в результате деформирования кристалла возникает так называемый прямой пьезоэлектрический эффект - на гранях кристалла появляются электрические заряды, пропорциональные величине деформации. Имеет место также и обратный пьезоэлектрический эффект, который заключается в том, что в электронном поле в кристаллах возникают внутренние напряжения, пропорциональные напряженности поля.

Пьезоэлектрический эффект тесно связан с кристаллической структурой тела. Кристаллы имеют геометрически правильное расположение составляющих их структурных элементов, чередование которых в пространстве образует кристаллическую решетку. В узлах решетки располагаются ионы, т.е. атомы с недостатком или избытком валентных электронов, нейтральные атомы или молекулы. Существование кристаллических решеток объясняет симметрию кристалла. Кристаллы подразделяются на 32 класса, причем каждому классу присущи определенные элементы симметрии: оси симметрии, плоскости симметрии, центром симметрии.

Кристаллы a-кварца (низкотемпературная модификация кварца) относятся к тригонально-трапецоэдрическому классу 3:2 тригональной системы, кристаллы b-кварца (высокотемпературная модификация кварца) - к гексагонально-трапецоэдрическому классу 6:2 гексагональной системы. Элементами минимальной симметрии a-кварца являются ось третьего порядка (оптическая) и три перпендикулярные ей оси второго порядка (электрические), образующие между собой углы в 120 градусов. Перпендикулярно этим осям расположены три оси, называемые механическими.

П ри воздействии внешней силы кристаллическая решетка изменяет свое состояние. Деформация решетки, вызываемая механическим напряжением, приводит к перераспределению электрических зарядов. Однако не при любом расположении диполей в кристалле приложение механической силы приводит к такой деформации, при которой изменяется дипольный момент, т.е. расстояние между центрами тяжести разноименных зарядов. Это возможно только при наличии полярных направлений, которые имеются у кристаллов определенных классов, не обладающих центром симметрии. Допускают существование пьезоэлектричества 20 или 32 классов кристаллографической симметрии, в том числе оба упомянутых выше класса — тригонально-трапецоэдрический и гексагонально-трапецоэдрический.

Рис. 1. Структурная ячейка кварца (a) и образование пьезоэлектрического эффекта (б-г)

Рассмотрим возникновение пьезоэлектрического эффекта в кварце с молекулярной точки зрения.

Как показывает рентгеноструктурный анализ, основой структуры кварца Si0₂ являются винтовые цепочки тетраэдров Si0₄, расположенные по оси симметрии третьего порядка (вдоль оптической оси) (рис. 1,а).

В структуре кристалла каждый ион Si, обладающий положительным зарядом +4е*, тетраэдрически окружен четырьмя ионами О, каждый из которых обладает отрицательными зарядами -2е, и каждый ион О связывает два иона Si. Однако заряды всех ионов кристаллической ячейки взаимно компенсируются, и в целом она электрически нейтральна. Для простоты будем рассматривать каждую пару ионов О в качестве частицы, имеющей заряд -4е, При этом структурная ячейка, представленная на рис. В-1, а, принимает вид, изображенный на рис. 1, б. Предположим, что эта ячейка подвергается воздействию внешней силы в направлении электрической оси Х (рис. В-1,в); тогда ион Si (1) сдвинется внутрь и расположится между ионами О(2) и О(6), а ион О(4)— между ионами Si(3) и Si(5). Вследствие этого на одной поверхности возникнет положительный заряд, на другой — отрицательный, т. е. имеет место прямой пьезоэлектрический эффект.

Пользуясь моделью структурной ячейки, можно объяснить возникновение обратного пьезоэлектрического эффекта, а также отсутствие асимметрии в расположении зарядов в направлении оси третьего порядка при сжатии или растяжении кварца. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты используются для стабилизации частоты; при периодическом изменении электрического поля, прикладываемого к кристаллу, например кварца, в последнем возникают резонансные механические колебания, если частота изменения поля равна одной из собственных частот кристалла. Эти механические колебания благодаря обратному пьезоэффекту обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, оказывающие сильное воздействие на возбудившую их электрическую цепь. Частота собственных колебаний пьезоэлектрического кристалла определяется его физическими свойствами и геометрическими размерами.