Электрострикция: Деформация диэлектриков в электрическом поле.
Electrostriction
Электрострикция: изменение формы диэлектриков под воздействием электрического поля. Свойство всех непроводящих материалов, обусловленное смещением ионов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Способность непроводящих материалов изменять форму под воздействием электрического поля.
Ability of non conductive materials to change shape under an electric field
В электромагнетизме электрострикция — это свойство всех электрических непроводников, или диэлектриков, при котором они изменяют свою форму при приложении электрического поля. Это свойство является двойственным к магнитострикции.
In electromagnetism, electrostriction is a property of all electrical non conductors, or dielectrics, that causes them to change their shape under the application of an electric field. It is the dual property to magnetostriction.
Пояснение
Электрострикция является свойством всех диэлектрических материалов и вызвана смещением ионов в кристаллической решетке под воздействием внешнего электрического поля. Положительные ионы смещаются по направлению поля, а отрицательные – в противоположном направлении. Это смещение накапливается во всем объеме материала и приводит к общей деформации (удлинению) по направлению поля. Толщина уменьшается в ортогональных направлениях, что определяется коэффициентом Пуассона. Все изоляционные материалы, состоящие более чем из одного типа атомов, в той или иной степени проявляют ионность из-за разницы электроотрицательности атомов и, следовательно, демонстрируют электрострикцию. Возникающая деформация (отношение величины деформации к исходному размеру) пропорциональна квадрату поляризации. Изменение направления электрического поля не приводит к изменению направления деформации. В более строгом определении, коэффициент электрострикции является тензором четвертого ранга, связывающим тензор деформации второго ранга и вектор плотности электрической поляризации (то есть тензор первого ранга). Связанный с этим пьезоэлектрический эффект наблюдается лишь в определенном классе диэлектриков. Электрострикция применима ко всем кристаллическим симметриям, в то время как пьезоэлектрический эффект – только к 20 пьезоэлектрическим точечным группам. Электрострикция является эффектом второго порядка, в отличие от пьезоэлектричества, которое является эффектом первого порядка.
Electrostriction is a property of all dielectric materials, and is caused by displacement of ions in the crystal lattice upon being exposed to an external electric field. Positive ions will be displaced in the direction of the field, while negative ions will be displaced in the opposite direction. This displacement will accumulate throughout the bulk material and result in an overall strain (elongation) in the direction of the field. The thickness will be reduced in the orthogonal directions characterized by Poisson's ratio. All insulating materials consisting of more than one type of atom will be ionic to some extent due to the difference of electronegativity of the atoms, and therefore exhibit electrostriction. The resulting strain (ratio of deformation to the original dimension) is proportional to the square of the polarization. Reversal of the electric field does not reverse the direction of the deformation. More formally, the electrostriction coefficient is a rank four tensor , relating the rank two strain tensor and the electric polarization density vector (i. e. rank one tensor; ). The related piezoelectric effect occurs only in a particular class of dielectrics. Electrostriction applies to all crystal symmetries, while the piezoelectric effect only applies to the 20 piezoelectric point groups. Electrostriction is a quadratic effect, unlike piezoelectricity, which is a linear effect.
Масштабы воздействия
Электрострикция может вызывать деформацию в 0,1% при напряженности поля 2 миллиона вольт на метр (2 МВ/м) для материала PMN 15 (сайт TRS указан в списке литературы ниже). Эффект кажется квадратичным при низких значениях напряженности поля (до 0,3 МВ/м) и приблизительно линейным после этого, вплоть до максимальной напряженности поля 4 МВ/м. Поэтому устройства, изготовленные из таких материалов, обычно работают в режиме смещения, чтобы обеспечить близкое к линейному поведение. Вероятно, это приведет к деформациям, вызывающим изменение электрического заряда, однако это не подтверждено.
Electrostriction can produce a strain of 0.1% at a field strength of 2 million volts per meter (2 MV/m) for the material called PMN 15 (TRS website listed in the references below). The effect appears to be quadratic at low field strengths (up to 0.3 MV/m) and roughly linear after that, up to a maximum field strength of 4 MV/m Therefore, devices made of such materials are normally operated around a bias voltage in order to behave nearly linearly. This will probably cause deformations to lead to a change of electric charge, but this is unconfirmed.