|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Электрострикция |
 | |
Анимация
Описание
Электрострикция - деформация твердых, жидких и газообразных диэлектриков в электрическом поле, обусловленная их поляризацией и пропорциональная квадрату напряженности электрического поля. Квадратичная зависимость деформации от напряженности поля Е означает, в частности, что знак электрострикции (т.е. расширяется или сжимается вещество в электрическом поле) не зависит от направления поля. В переменном поле в результате электрострикции механические колебания происходят с частотой вдвое большей, чем частота поля. В твердых телах электрострикция выражается квадратичной формулой:
, (1)
где ulm - компонента тензора деформации;
Ei и Ej - составляющие напряженности электрического поля;
qijlm - коэффициенты электрострикции;
все индексы i, j, l, m принимают значения 1, 2, 3 или соответственно - х, у, z.
В газах и жидкостях электрострикцию описывают формулой:
,
где 
- относительная объемная деформация;
А - постоянная электрострикции.
Электрострикция обусловлена поляризацией диэлектриков в электрическом поле, т.е. смещение под действием поля атомов, несущих на себе электрические заряды (ионы, электрические диполи), или изменением ориентации диполей. Электрострикцией обладают все твердые диэлектрики независимо от их структуры и симметрии, в отличие от пьезоэффекта, который наблюдается только у сред, не имеющих центра симметрии. С другой стороны, создание механических напряжений в веществах, обладающих электрострикцией, но не являющихся пьезоэлектриками, не сопровождается возникновением электрической поляризации и соответственно электрического поля: в средах, обладающих центром симметрии, однородная деформация, возникающая под действием механических напряжений, вызывает однородное изменение расстояний между зарядами атомов и, следовательно, не приводит к появлению электрического момента, т.е. поляризации. Поэтому, в принципе, электрострикцию можно использовать для возбуждения звука (с удвоенной по отношению к электрическому полю частотой), но не для преобразования звуковых колебаний в электрические.
Количественно электрострикционная деформация твердых тел меньше, чем пьезоэлектрическая. Величина q обусловленной электрострикцией деформации в кристаллах не превышает по порядку величины 3*10-10.
Электрострикция наблюдается в жидкостях, газах, обладающих дипольными моментами. Среди жидкостей наибольшей электрострикцией также обладают дипольные, хотя, в принципе, зависимость плотности от электрического поля имеет место в любой диэлектрической жидкости. Согласно термодинамической теории, в изотропном веществе
,
где b - сжимаемость;
r - плотность;
e - диэлектрическая проницаемость.
Наличие свободных зарядов (электронов и ионов) не исключает электрострикцию, которая наблюдается не только у чистых диэлектриков, но и у ионизированных газов, электролитов и полупроводников, однако, вследствие экранирования свободными зарядами, поле, действующее на связанные с атомами заряды, оказывается уменьшенным. В сильно проводящих средах, например, в металлах, электрическое поле равно нулю и, следовательно, электрострикция отсутствует.
Особую роль играет электрострикция у сегнетоэлектриков, где аномально большой пьезоэффект обусловлен так называемой линеаризованной электрострикцией, которая имеет место благодаря наличию в сегнетоэлектриках постоянной, не зависящей от внешнего поля, спонтанной поляризации PS и, следовательно, большого спонтанного внутреннего поля ES, пропорционального PS. При воздействии переменного внешнего поля с амплитудой E ~< ES основную роль в выражении для эффекта электрострикции приобретает компонент с частотой переменного поля и амплитудой ~ESE_ , т.е. напряженность поля ES входит в качестве одного из сомножителей в выражение (1), тем самым линеаризуя и усиливая деформацию, возникающую в результате приложения внешнего поля.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Эффект широко применяется в электростикционных преобразователях.
Достоинства электростикционных преобразователей состоят в высокой чувствительности, равномерной частотной характеристике и низком уровне собственного шума, а также в малой температурной зависимости свойств (чувствительности, резонансной частоты, электрического импеданса и т.д.). Их недостатки - сравнительная сложность конструкции и необходимость применения согласующих каскадов в непосредственной близости от капсуля микрофона: малая емкость конденсатора (несколько десятков пикофарад) и большое сопротивление нагрузки исключают возможность присоединения электростикционного преобразователя к усилительному устройству кабелем даже малой длины, т.к. в этом случае чувствительность резко падает в результате того, что емкость микрофона шунтируется емкостью кабеля. В качестве согласующих устройств используются либо катодные повторители на миниатюрных электронных лампах, либо каскады, выполненные на полевых транзисторах.
Для увеличения чувствительности электростикционных преобразователях на неподвижном электроде делают канавки или выемки и повышают поляризующее напряжение U0, однако величина U0 ограничена опасностью электрического пробоя между обкладками конденсатора и возможностью залипания мембраны в результате ее прогиба из-за действия электрических сил. ОбычноU0 не превышает 250 В. Электростикционные преобразователи могут работать и без поляризующего напряжения. Это достигается применением в устройствах материалов, несущих на себе постоянный электрический заряд (электреты). Электретная полимерная пленка помещается в зазоре между электродами. Свойства полимерных электретов позволяют обеспечить стабильную работу микрофонов в течении десятков лет при заряде, соответствующем напряжению 150В.
В диапазоне звуковых частот чувствительность электростикционных преобразователей колеблется в пределах 5-50 мВ/Па. При динамическом диапазоне 10-150 дБ. У более высокочастотных электростикционных преобразователей (известны миниатюрные электростикционные преобразователи с линейной характеристикой вплоть до 100-140 кГц) чувствительность снижена до 0,5-3 мВ/Па, зато они могут работать в полях со звуковыми давлениями до 174-184 дБ.
Разновидностью электростикционных преобразователей являются акустические зонды, предназначенные для измерений в малых объемах и труднодоступных местах. Для этого служат трубчатые звукопроводы. Такие зонды могут выполняться как обычные конденсаторные микрофоны, но снабжены трубчатыми насадками разной длины и диаметра, либо иметь "бесконечную" длинную линию, обеспечивающую режим бегущей волны в приемной трубке с целью устранения в ней нежелательных резонансов.
Электростикционные преобразователи предназначенные для измерения колебаний поверхностей твердых тел, устроены, в принципе, аналогично электростикционным преобразователям для воздушной среды, только подвижным электродом служит сама колеблющаяся поверхность тела, амплитуду колебаний которой необходимо измерить. В таких электростикционных преобразователях чаще применяется способ измерения амплитуды колебаний, основанный на частотной модуляции. Детектируя полученный высокочастотный сигнал, можно определить частоту и амплитуду колебаний вибрирующей поверхности.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
В жидкой среде находится плоский конденсатор (рис. 1).
Втягивание жидкости в конденсатор
Рис. 1
К нему подключен стрелочный вольтметр. При подаче напряжения жидкость втягивается в зазор конденсатора. В качестве жидкой среды лучше брать чистое касторовое масло, в котором для визуализации взвешены окрашенные пластмассовые частицы. Зазор в конденсаторе - порядка сантиметра, размер пластин - порядка 10 сантиметров. Подаваемое напряжение - 5-10 кВ. Наблюдаем течение на краях пластин при подаче и снятии напряжения.
Литература
1. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой.- М.: Советская Энциклопедия, 1979.
2. Бреховских Л.М., Гончаров В.В. Введение в механику сплошных сред.- М.: Наука, 1982.
3. Акустополяризационные измерения характеристик анизотропии горных пород (методические рекомендации). Апатиты, 1985.
4. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.- С.90, 460.
5. Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.- С.20, 231, 460.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
