Материаловедение

Электрострикционные материалы

Электрострикция (electrostriction) — это деформация диэлектрических материалов в электрическом поле, пропорциональная квадрату напряжённости электрического поля (рис. 1).

Электрострикция обусловлена поляризацией диэлектриков в электрическом поле, т. е. смещением под действием внешнего электрического поля атомов, несущих на себе электрические заряды (ионы, электрические диполи), или изменением ориентации диполей. Она наблюдается практически у всех диэлектриков.

В твердых анизотропных диэлектриках (кристаллах) электрострикция описывается с помощью специальной тензорной формы, учитывающей неоднородное развитие деформаций по разным направлениям в объеме твердого тела. В изотропных диэлектриках электрострикция описывается формулой

где ΔV/V- относительная объемная деформация;

Е — напряжённость электрического поля;

q — постоянная электрострикции, зависящая от сжимаемости, плотности и диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Схема проявления электрострикции

Рис. 1. Схема проявления электрострикции

Электрострикцию следует отличать от обратного пьезоэлектрического эффекта, который так же, как и электрострикция. проявляется в деформации диэлектрических материалов в результате воздействия внешнего электрического поля. Эффект электрострикции является квадратичным (четным), в то время как обратный пьезоэлектрический эффект — линейным (нечетным) (рис. 2). Это значит, что в случае электрострикции деформация прямо пропорциональна квадрату напряжённости поля, причем знак деформации (сжимается или растягивается тело под действием поля) не зависит от направления электрического поля; в случае же пьезоэлектрического эффекта деформация прямо пропорциональна напряжённости поля, причем с изменением направления поля на противоположное знак деформации меняется. Кроме того, под действием переменного электрического поля частотой со в случае электрострикции диэлектрик колеблется с удвоенной частотой 2ω, в случае же пьезоэлектрического эффекта частота поля и деформации совпадают.

Электрострикция имеет место в кристаллических диэлектриках с любым типом симметрии внутреннего строения, в то время как пьезоэлектрический эффект — только в кристаллических диэлектриках с определённым типом симметрии (пьезоэлектриках). Как правило, деформация при электрострикции значительно меньше, чем при пьезоэффекте. Электрострикция всегда возникает и при пьезоэффекте, но вследствие малости в расчет обычно не принимается.

Зависимость деформации от напряженности электрического поля для электрострикции и пьезоэффекта

Рис. 1.18. Зависимость деформации от напряженности электрического поля для электрострикции и пьезоэффекта

В отличие от пьезоэффекта электрострикция является необратимым эффектом: создание механических напряжений в диэлектриках, характеризующихся электрострикцией, но не являющихся пьезоэлектриками, не сопровождается возникновением электрической поляризации и, соответственно, электрического поля. Поэтому, в принципе, электрострикция может использоваться для возбуждения звука (с удвоенной по отношению к электрическому полю частотой), но не для преобразования звуковых колебаний в электрические.

Электрострикция играет особую роль у сегнетоэлектриков, имеющих аномально высокий пьезоэффект, обусловленный так называемой линеаризованной электрострикцией, которая имеет место благодаря наличию в сегнетоэлектриках постоянной, не зависящей от внешнего поля, спонтанной поляризации. Характерным примером сегнетоэлектрических материалов, у которых проявляется линеаризованная электрострикция, является пьезокерамика, обладающая устойчивым пьезоэффектом в результате ее поляризации во внешнем постоянном электрическом поле.

Эффект электрострикции применяется в преобразователях, предназначенных для измерения колебаний поверхностей твердых тел. Электрострикционная сегнетокерамика используется в исполнительных механизмах для создания точных перемещений.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *