А.Н. Матвеев - Электричество и магнетизм (1115536), страница 44
Текст из файла (страница 44)
стене днпальных лапен. тов молекул. О Чен отличается температура Кюри от тызпературы Кю. ри — Вейссаз Каков некаиизн возиикиоыимя домемозз Почему донеиы не могут быть очень болыпимиэ Что такое аитисегчезозлек- трикиэ 194 3. Диэяектрикн родных деформациях возникают заряды противоположного знака, причем знаки зарядов изменяются при изменении знака деформации, т. е. если, например, при сжатии вдоль полярной оси на данной грани образовался положительный заряд, то при растяжении эта грань заряжается отрицательно. Пьезоэлектрический эффект наблюдается не только при чистом сжатии или растяжении вдоль полярной оси, но при любой деформации кристалла, сопровождающейся сжатием или растяжением вдоль полярной оси.
Поскольку на разных гранях, перпендикулярных полярной оси, возникают заряды различного знака, различные ниправления вдоль полярной оси неэквивалентны. А это означает, что если кристалл повернуть на 180' вокруг оси, перпендикулярной полярной, то полярная ось совместится сама с собой, но кристалл сам с собой не совместится.
Поэтому кристаллы с центром симметрии не могут быть пьезоэлектриками. Для существования пьезоэлектрического эффекта при однородной деформации необходимо отсутствие у кристалла центра симметрии. Полярные осн определяются свойствами симметрии кристаллической решетки. Вообще говоря, кристалл имеет несколько полярных осей. Пьезоэлектрические свойства зависят от температуры. Если при некоторой температуре кристаллическая решетка перестраивается тащ что ооразуется центр симметрии, то при этой температуре исчезаьзт пьезоэлектрические свойства кристалла.
Например, у кварца до температуры 200 С пьезоэлектрические свойства изменяются незначительно, а затем до температуры 576 С начинают медленно ослабевать. Прн 576'С происходит перестройка кристаллической решетки кварца, в результате которой пьезоэлектрические свойства у него исчезают. При понижении температуры изменение свойств кварца происходит в обратном направлении. Иродольный и поперечный пьезоэффекты.
Возникновение зарядов на гранях, перпендикулярных полярной осн, при однородной деформации кристалла вдоль этой оси называется продольным пьезоэффектом. Однако можно вызвать появление зарядов на тех же гранях, сжимая нли растягивая кристалл перпендикулярно полярной осн, если только при этом происходит растяжение или сжатие кристалла вдоль полярной осн. Это явление йазывается попере тым пьезоэффектом.
Его существование обусловливается связью между продольными и поперечнылзи деформациями твердого вела.' М еханизм пьезоэффекта. Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Пьезоэлектрический эффект возникает в том случае, когда под действием внешних сил кристаллическая подрешетка из положительных ионов дефорлзируется иначе, чем кристаллическая подрешетка из отрицательных ионов, В результате происходит относительное смещение положительных и отрицательных ионов, приводящее к возникновению поляризации кристалла и поверхностных зарядов.
Поляризованность в первом приближении прямо пропорциональна деформации, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна з 24 Пьезоэнектрики 195 силе. Следовательно, поляризоваиность прямо пропорциональна приложенной силе. Между разйоименно заряженными гранями деформированного диэлектрика возникает разность потенциалов, которую можно измерить, а по ее значению сделать заключение о величине деформаций н приложенных силах. Использование этой связи находит многочисленные практические применения. Например, имеются пьезоэлектрические датчики для измерения бзвстропеременных давлений.
Известны пьезоэлектрические микрофоны, пьезоэлектрические датчики в автоматике и телемеханике и т. д. Обратный пьезоэффект. Ои состоит в том, что во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик будет деформироваться. Оеобходилзость его существования следует из наличия прямого эффекта и закона сохранения энергии. Прн деформнровании пьезоэлехтрнка работа затрачивается на образование энергии упругой деформации и энергии возникающего при этом в результате пьезоэффекта электрического поля.
Следовательно, при деформировании пьезоэлехтрика необходимо преодолевать дополнительную силу, кроме силы упругости кристалла, которая препятствует деформации и является фактором, обусловливающим обратный пьезоэффект. Чтобы компенсировать эту дополнительную силу, надо приложить внешнее электрическое поле, противоположное тому, которое возникает в пьезоэффекте.
Следовательно, для получения некоторой деформации пьезоэлектрнка под влиянием внешнего электрического поля необходимо, чтобы оно было равно, но противоположно направлено тому полю, которое прн данной деформации возникает в результате прямого пьезоэлектрического эффектна. Например, если при некоторой деформации пьезоэлектрнка вдоль полярной оси между его гранями, перпендикулярными оси, возникает некоторая разность потенциалов, то для осуществления ~акой же деформации без приложений механических сил необходимо к этим граням приложить такую же разность потенциалов, по с противоположным знаком. Механизм обратного пьезоэлектрического эффекта аналогичен механизму прямого: под действием внешнего электрического поля кристаллические подрешетки положительных и отрицательных ионов деформируются различным образом, что и приводит к деформации кристалла.
Обратный пьезоэлектрический эффект также имеет многочисленные практические применения, в частности широкое применение получили кварцевые излучатели ультразвука. Пнроэлектрики. У некоторых пьезоэлектриков подрешетка положительных ионов оказывается смепзенной относительно подрешетки отрицательных ионов в состоянии термодинамического равновесия, в результате чего такие кристаллы оказываются поляризованными при отсутствии впетпего электрического поля. Таким образом, такие кристаллы обладают спонтанной электрической поляризацией. Обычно наличие такой спонтанной поляризации маскируется свободными поверхностными зарядами, оседающими на поверхность кристалла из окружающей среды под действием электрического поля, свя- 196 3.
Диэлектрики занного со спонтанной поляризацией. Этот пропесс происходит до тех пор, пока электрическое поле не будет полностью нейтрализовано, т. е. до тех пор, пока наличие спонтанной поляризации не будет полностью замаскировано. Однако при изменении температуры образца, например при нагревании, происходит смещение ионных подрешеток друг относительно друга, в результате чего изменяется спонтанная полярнзованность и на поверхности кристалла появляются электрические заряды. Возникновение этих зарядов называется прямым пироэлектрическим эффектом, а соответствующие кристаллы называются пироэлекгрикамн, Всякий лироэлектрик является пьезоэлектриком, но не вг.чкии ньеэоэлектрик являе!лся лироэлектриком. Это связано с тем, что у пироэлектрика имеется выделенное направление, вдоль которого сугцествует спонтанная поляризация, а у пьезоэлектрика такого выделенного направления, вообще говоря, нет.
Имеется также и обратный лироэлектричвский эффеюн: изменение электрического ноля в адиабатно изолированном лироэлектрике солровоэкдавтся изменением его температуры. Необходимость его существования может быть доказана на основе термодинамнческого анализа процесса и продемонстрирована экспериментами.
Задачи 3.1. е, = 1,000067. 3.2. е, = 1,0076. 3.3. 1,2 !О " Кл/мэ 3.4. и = 1,1.10 ™ м' ге = 0,96 ° 1О 'е м. 3,5. 0,87 10 1в м. 3.1. Вычислить относительную диэлектрическую проницаемость гелия лри р = 101„3 кПа, г = !5'С, если его атомная диэлектрическая восприимчивость и=2,48 10 ге м'. Экслериментальное звачение г, = = 1,000074. 3.2. Рассчитать диэлектрическую проницаемость аммиака лрн ! = 27'С; и=137 10-м мз. р=046х х10 гэ Кл м. Указание: воспользоваться формулой (22Л9). 3.3. Постоянный лнлольный момент молекулы воды 6,2 РО 'е Кл м. Определить лолярнэованность насьнценного водяного пара лрн г = 100 "С н атмосферном давления.
3.4. Воздух сосгонт в основном нз молекул 74э н Оь По формуле Клаузнуса-Моссогтн найти коэффициенты нх атомной восприимчивости, принимаемые для упрощения одинаковыми. Найти радиус молекул, 3.5. Принимая для молекулы азота значения и н ге, полученные я залаче (3.4), вычислить изменение расстояния между зарядами, образующими диполь, в поле налряженносгью ! МВ!м. б 25 Электрическое поле при наличии постоянных токов З 26 Сгоронние э де б 28 Линейные нели Правила Кирхгофа б 29 Токи в спломнои среде з 30 заземление линий передач б 27 Дифференциальная форма закона Джоуля -Ленца Работа, соверпхаемая при прохо:кдении тока и развиваемая мощность Постоянный электрический ток Постоянный ток невозможен при наличии лишь сил электростатического происхождения. Для его осуществления необходимы силы неэлектростатического происхождения, называемые сторон ними электродвижущими силами.
Основной закон — закон Ома в локальной формулировке. 198 4. Постоянный электрический ток В 25. Электрическое поле прн нвлцчнн постоянных соков Обсуждаются особенности электрического поля при наличии постоянных токов и роль поверхностных и обьемных зарядов. Анилизируется роль различных факторов, об спечивающих существование постоянного тока, Поле внузри проводника, Закон Ома (см. й 1б) в дифференциальной форме имеет вид ) =ТЕ (25.1) При наличии тока ) ф 0 и, следовательно, Е фО.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
