Электрострикция

Способность непроводящих материалов изменять форму под действием электрического поля

В электромагнетизме электрострикция является свойством всех электрических непроводников или диэлектриков . [ ^{необходима ссылка ]} Электрострикция заставляет эти материалы изменять свою форму под действием электрического поля . ^{[1] : 662} Это свойство является дуальным по отношению к магнитострикции .

Объяснение

Электрострикция является свойством всех диэлектрических материалов, ^[2] и вызывается смещением ионов в кристаллической решетке под воздействием внешнего электрического поля. Причина электрострикции связана с ангармоническими эффектами. ^[2] Положительные ионы будут смещены в направлении поля, в то время как отрицательные ионы будут смещены в противоположном направлении. Это смещение будет накапливаться по всему объему материала и приводить к общей деформации (удлинению) в направлении поля. Толщина будет уменьшаться в ортогональных направлениях, характеризуемых коэффициентом Пуассона . Все изоляционные материалы, состоящие из более чем одного типа атомов, будут в некоторой степени ионными из-за разницы электроотрицательности атомов и, следовательно, будут проявлять электрострикцию. ^{[ необходима цитата ]}

Результирующая деформация (отношение деформации к исходному размеру) пропорциональна квадрату поляризации . Изменение полярности электрического поля не меняет направление деформации. ^{[1] : 664  [2]}

Более формально, коэффициент электрострикции представляет собой тензор четвертого ранга ( ), связывающий тензор деформации второго ранга ( ) и вектор плотности электрической поляризации (т.е. тензор первого ранга; ) ^[2] ${\displaystyle Q_{ijkl}}$ ${\displaystyle \varepsilon _{ij}}$ ${\displaystyle P_{k}}$

${\displaystyle \varepsilon _{ij}=Q_{ijkl}P_{k}P_{l}.}$

Электрострикционный тензор удовлетворяет ^{[1] : 666}

${\displaystyle Q_{ijkl}={\frac {1}{2}}{\frac {\partial ^{2}\varepsilon _{ij}}{\partial P_{k}\partial P_{l}}}.}$

Связанный пьезоэлектрический эффект возникает только в определенном классе диэлектриков. Электрострикция применима ко всем симметриям кристаллов, тогда как пьезоэлектрический эффект применим только к 20 группам пьезоэлектрических точек . Пьезоэлектричество является результатом электрострикции в сегнетоэлектрических материалах. ^[2] Электрострикция является квадратичным эффектом, в отличие от пьезоэлектричества, которое является линейным эффектом. ^{[1] : 665  [2]}

Материалы

Хотя все диэлектрики демонстрируют некоторую электрострикцию, некоторые виды инженерной керамики, известные как релаксорные сегнетоэлектрики , имеют необычайно высокие электрострикционные константы. ^[2] Наиболее часто используемые из них:

• ниобат свинца и магния (ПМН)
• ниобат магния свинца-титанат свинца (PMN-PT)
• цирконат-титанат свинца-лантана (PLZT)

Величина эффекта

Электрострикция может вызывать деформацию порядка 0,1% для некоторых материалов. ^{[1] : 662} Это происходит при напряженности поля 2 миллиона вольт на метр (2 МВ/м) для материала PMN-15. ^[3] Электрострикция существует во всех материалах, но, как правило, она незначительна. ^{[1] : 662}

Приложения

• Гидроакустические прожекторы для подводных лодок и надводных кораблей
• Приводы для малых перемещений ^[2]
• Датчики, при условии наличия электрического поля смещения или предварительного напряжения. ^[2]

Смотрите также

• Магнитострикция
• Фотоупругость
• Пьезомагнетизм
• Пьезоэлектричество
• Сегнетоэлектрик релаксор

Ссылки

1. "Магнитострикционные и электрострикционные материалы". Теория интеллектуальных структур . Cambridge University Press. 2013-12-30. С. 581–684. doi :10.1017/cbo9781139025164.007. ISBN 978-0-521-86657-6.
2. Юй, Цзячэн; Джанолин, Пьер-Эмерик (2022-05-05). «Определение «гигантской» электрострикции». Журнал прикладной физики . 131 (17). AIP Publishing. arXiv : 2110.11304 . Bibcode :2022JAP...131q0701Y. doi :10.1063/5.0079510. ISSN  0021-8979.
3. "Электрострикционная керамика". TRS Ceramics . Получено 2024-08-09 .

Дальнейшее чтение

• «Электрострикция». Энциклопедия Британника.
• Мини-словарь по физике (1988) Oxford University Press
• «Электронные материалы» профессора доктора Хельмута Фёлля