|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Акустоэлектрический эффект |
 | |
Анимация
0
Описание
Акустоэлектрический эффект - возникновение постоянного тока или эдс в проводящей среде (металл, полупроводник) под действием бегущей акустической волны. Акустоэлектрический эффект является одним из проявлений взаимодействия ультразвука с электронами проводимости.
При поглощении упругих волн электронами проводимости в кристалле возникает электродвижущая сила, и между гранями кристалла появляется разность потенциалов (эдс). Если нанести на грани металлические контакты, то при их замыкании в цепи возникнет постоянный электрический ток. При перенесении источника волн на противоположную грань кристалла, т. е. при изменении направления волны на противоположное, эдс изменяет знак и, соответственно, направление тока меняется на обратное.
Общая причина этого эффекта состоит в том, что упругая волна несет с собой определенный механический импульс. При поглощении волны ее импульс передается электронам проводимости, что приводит к появлению некоторой средней силы, действующей на электроны и направленной в сторону распространения волны. Таким образом, акустоэлектрический эффект можно описать как увлечение электронов звуковой волной.
Выражение для акустоэлектрической эдс получают, рассматривая акустические волны в кристалле как поток фононов, каждый из которых несет энергию 
и импульс:
,
где w и c - частота и скорость звука;
h - постоянная Планка;
.
Свободные электроны в кристалле обычно представляют электронным газом. В высокочастотной области электроны проводимости и фононы рассматривают как взаимодействующие квазичастицы.
При взаимодействии акустической волны с электронами проводимости каждый фонон, взаимодействующий с электроном, передает ему свой импульс. При этом на электрон действует некоторая средняя сила F1, определяемая интенсивностью звуковой волны (I), скоростью звука (с), числом электронов в единице объема (n), электронным коэффициентом поглощения звука в кристалле a:
F1 = a·I /(c·n).
Вводя напряженность поля сторонних сил Eст = F1/e и интегрируя по длине d кристаллической пластины, получим выражение для величины полной эдс в пластинке длиной d:
Uae = a·m·I·d/(s·c), (1)
где m - подвижность свободного электрона в кристалле;
s - электронная проводимость кристалла.
Такая разность потенциалов (эдс) будет между концами пластинки, если цепь разомкнута. Величина напряженности электрического поля при этом будет:
Eae = a·m·I/(s·c).
Если цепь накоротко замкнута, то для плотности тока (согласно закону Ома jae = sEae) будет справедливо следующее выражение:
jae = - a·m·I/c. (2)
Знак минус в формуле (2) обозначает, что отрицательные электроны, увлекаясь волной, создают ток, текущий противоположно направлению распространения волны. Для полупроводника р-типа направление тока совпадало бы с направлением увлечения, и в формулу (2) вошел бы знак плюс.
Необходимо отметить, что эффект увлечения электронов возникает не только при воздействии звуковых волн, но и при поглощении волн других типов, если только эти волны переносят энергию и импульс и взаимодействуют с электронами проводимости. В частности, это имеет место при поглощении электромагнитных волн радио- и светового диапазонов. Однако в этом случае с - скорость света, которая, примерно, в 105 раз больше скорости звука, и поэтому возникающая эдс (1), при прочих равных условиях, оказывается намного меньше.
На рис.1 представлена короткозамкнутая цепь, состоящая из кристалла (CdS) с металлическими электродами на гранях, перпендикулярных направлению распространения звука.
Акустоэлектрический ток
Рис. 1
Обозначения:
1 - кристалл CdS;
2 - металлические электроды;
3 - звукопроводы;
4 - излучающие преобразователи;
5 - приемные преобразователи;
6 - измерительный прибор.
Измерительный прибор будет фиксировать величину акустоэлектрического тока, определяемого соотношением (2).
Если цепь разомкнута (рис. 2), акустическая волна создает на тех же электродах заряды, приводящие к возникновению акустоэлектрической разности потенциалов Uae.
Акустоэлектрическая эдс Uае
Рис. 2
Обозначения:
1 - кристалл CdS;
2 - металлические электроды;
3 - звукопроводы;
4 - излучающие преобразователи;
5 - приемные преобразователи.
Акустоэлектрический эффект экспериментально наблюдается как в металлах, так и в полупроводниковых кристаллов. В обычных полупроводниках (например, Ge, Si ) и в металлах акустоэлектрический эффект незначителен. В пьезополупроводниках (CdS и CdSe) сильное акустоэлектронное взаимодействие приводит к тому, что величина напряженности электрического поля на 5 - 6 порядков больше, чем при тех же условиях в германии, и достигает нескольких В/см при интенсивности звука 1Вт/cм2.
Наряду с продольным акустоэлектрическим эффектом можно наблюдать также и поперечный акустоэлектрический эффект, в случае когда поглощаемая ультразвуковая волна не продольная, а поперечная (рис. 3).
Поперечный акустоэлектрический эффект
Рис. 3
Обозначения:
1 - кристалл CdS;
2 - металлические электроды;
3 - звукопроводы;
4 - излучающие преобразователи;
5 - приемные преобразователи.
Акустоэлектрический эффект также имеет место и для упругих поверхностных волн.
Линейная зависимость jае и Uae от интенсивности звуковой волны I позволяет использовать акустоэлектрический эффект для измерения интенсивности звука, а также частотных характеристик пьезоэлектрических преобразователей. Однако соотношение (2) выполняется лишь до определенной пороговой интенсивности звука, а затем наблюдается насыщение.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Акустоэлектрический эффект находит применение для акустических измерений интенсивности ультразвука в твердых телах, частотных характеристик ультразвуковых преобразователей, структуры звукового поля, а также для исследования электрических свойств полупроводниковых кристаллов (измерения дрейфовой подвижности носителей, величины акустоэлектрического взаимодействия).
Акустоэлектрический эффект, возникающий в пьезополупроводниковых кристаллах, используется в установках для усиления ультразвука. Если к кристаллу приложить внешнее постоянное электрическое поле Е0 в направлении распространения ультразвука, то коэффициент общего поглощения ультразвука:
aE = a(1 - vd /c),
где vd = m·Е0 - скорость дрейфа электронов;
с - скорость звука в кристалле;
m - подвижность электронов.
При vd > c поглощение сменяется усилением.
Реализации эффекта
Схема возможного опыта по наблюдению акустоэлектрического эффекта подробно описана в содержательной части.
Литература
1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия.- М., 1979.
2. Физический энциклопедический словарь.- М., 1983.
3. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников.- М.: Наука, 1977.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
