Системы контроля работающие на основе эффекта электросирикции

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:

, (2.27)

где - компонента тензора деформации; Ei и Ej - составляющие напряженности электрического поля; - 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:

, (2.28)

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.

, (2.29)

где β - сжимаемость; ρ - плотность; ε - 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 (2.28), тем самым линеаризуя и усиливая деформацию, возникающую в результате приложения внешнего поля. Характеристики промышленных электростикторов:

Время инициации (log to от -9 до -6); Время существования (log tc от -9 до 15); Время деградации (log td от -9 до -6); Время оптимального проявления (log tk от -2 до 7).