П падение тела

Вид материала

Документы

Содержание Я. Никитин. Пфунда серия ПЬЕЗОМАГНЕТИЗМ (пьезомагнитный эффект) А. С. Боровик-Романов. Пьезооптический эффект Э. М. Эпштейн. Пьезоэлектрические материалы Пьезоэлектрический преобра­зователь

Подобный материал:

• Тема «кинематика материальной точки», 29.33kb.
• Урок изучения новых знаний в 9-м классе по теме: "Свободное падение тел", 145.66kb.
• Программа вступительных испытаний по физике механика, 48.4kb.
• Тема: строение тела животных, 47.92kb.
• Конспект урока физики в 7 классе Тема : Вес тела, 40.5kb.
• Тема. Малые тела Солнечной системы, 383.39kb.
• Книга о душе, 521.77kb.
• Владимир Данченко принципиальные вопросы общей теории чакр и тантрическая концепция, 1664.57kb.
• Беседа – лекция. Прием наркотика – всегда полет, но в конце – всегда падение, 76.9kb.
• Беседа – лекция. Прием наркотика – всегда полет, но в конце – всегда падение, 83.01kb.

Н : pc=300Hp/cos  ( — угол между направлением Н и импульсом р ч-цы, с — скорость света в вакууме). Искажения следов в П. к. невелики и определяются гл. обр. многократным рассеянием ч-ц.

Эффективность регистрации П. к. разл. процессов определяется в осн. её размерами. Наиболее распростра­нены П. к. объёмом 1—2 м. Однако на ускорителях сверхвысоких энер­гий используются камеры очень боль­шого размера. Водородная} камера «Мирабель» на ускорителе Института фи­зики высоких энергий АН СССР имеет объём 10 м³, а водородная камера на ускорителе Национальной ускоритель­ной лаборатории США— 30 м³. Ре­гистрация нейтральных ч-ц произво­дится по актам их вз-ствия с ядрами жидкости или по распадам на заряж. ч-цы.

С помощью П. к. были открыты и исследованы мн. элем. ч-цы. Гл. не­достаток П. к.— отсутствие «управ­ляемости», т. е. невозможность в про­цессе работы отбирать нужные собы­тия, что при исследовании редких событий приводит к необходимости просматривать большое кол-во фото­графий.

• См. лит. при ст. Детекторы.

С. Я. Никитин.

ПУЛЬСАРЫ, переменные источники косм. эл.-магн. излучения, открытые первоначально (1967, англ. учёный Э. Хьюиш с сотрудниками) как источ­ники импульсного радиоизлучения с исключит. регулярно повторяющимися импульсами (рис. 1). Периоды по­вторения импульсов у известных радио-П. лежат в пределах от 33 мс у П. PSR 0531+21 в Крабовндной туманно­сти до 4,3 с у PSR 1845—19 (буквы PSR — сокр. от англ. Pulsating So­urces of Radioemission — пульсирую­щие источники радиоизлучения, цифры — координаты П.). Импульсы име­ют сложное строение (рис. 2), можно выделить тонкую структуру импульса (субимпульсы) и микроструктуру с элементами ~10^-5 с. Со временем период П. медленно увеличивает­ся, напр. у PSR 0531+21 на 3,8Х10^-8 с/сут. Размеры излучающих областей П. можно оценить из усло­вия, что такая область не может быть больше расстояния, к-рое проходит свет за время длительности микроим­пульса (~10^-5 с). Эти размеры, сле­довательно, не превышают 3 км. Рас­стояния до П. оценивают по времени запаздывания  длинноволновых импульсов по сравнению с коротковол­новыми. Различие во времени прихода сигналов обусловлено рассеянием из­лучения на эл-нах межзвёздной среды. Концентрация эл-нов в межзвёздной среде известна, что позволяет по  определить расстояния до П. Для большинства П. расстояния заключены в пределах от 200 до 7000 световых лет, т. е. П. относятся к внутригалактич. источникам излучения.

596




Рис. 1. Сигналы от пер­вого из открытых пуль­саров PSR 1919+21 на частоте 72,7 МГц. Период пульсаций в момент от­крытия составлял 1,3370113 с, что сравнимо с точностью ат. этало­нов времени.



Рис. 2. Тонкая структура импульса пуль­сара PSR 0950+0,8.


При галактич. расстояниях мощ­ность и плотность потока радиоизлу­чения П. оказываются исключительно высокими: эффективная темп-ра ис­точника излучения может достигать 10³⁰ К, а плотность потока десятков МВт/см² (эта величина для Солнца составляет ~7000 Вт/см²). Нек-рые из радио-П., как оказалось, излучают также в видимом и рентг. диапазонах (напр., RSR 0531+21.), а в 70-х гг. 20 в. были открыты рентг. П. с перио­дами от неск. секунд до неск. сотен секунд. Светимость рентг. П. дости­гает 10³⁶—10³⁸ эрг/с (10²⁹—10³¹ Вт), т. е. она в 10³—10⁵ выше полной све­тимости Солнца.

Согласно совр. представлениям, ра­дио-П.— это нейтронные звёзды, к-рые при массе ~1M_солн имеют диаметры ~20 км. Только компактные нейтрон­ные звёзды могут сохранять свою це­лостность при вращении с периодом ~0,01 с. Полагают, что нейтронные звёзды-П. имеют сильное дипольное магн. поле (~10¹² Гс) с магн. осью, не совпадающей с осью вращения звезды. В области магн. полюсов про­исходит истечение заряж. ч-ц, к-рые в магн. поле звезды излучают либо в пределах узкого пространств. ко­нуса (карандашная диаграмма на­правленности излучения вдоль магн. оси), либо веером, перпендикулярно магн. оси (ножевая диаграмма). При вращении звезды наблюдатель, попада­ющий периодически внутрь направ­ленного пучка радиоволн, будет фик­сировать импульсное излучение с пе­риодом вращения звезды. Энергия из­лучения П. черпается из кинетич. энергии вращающейся нейтронной звезды. Потери энергии приводят к уменьшению скорости вращения и

увеличению периода П. Механизм трансформации кинетич. энергии звезды в энергию эл.-магн. излучения пока ещё до конца не выяснен.

Для рентг. П. характерен иной ме­ханизм излучения — аккреционный (см. Аккреция). Рентг. П.— это, по-видимому, нейтронная звезда в тес­ной двойной системе, второй компо­нент к-рой — звезда-гигант, запол­нившая Роша предел. В-во второй звезды перетекает на нейтронную звез­ду и образует вокруг неё газовый диск. В-во внутр. областей диска, переме­щаясь вдоль силовых линий магн. по­ля нейтронной звезды, достигает её поверхности вблизи магн. полюсов (здесь располагаются т. н. горячие пятна звезды). Торможение падающего в-ва у поверхности звезды порождает направленное рентг. излучение, к-рое, поскольку звезда вращается, прихо­дит к наблюдателю, как и в случае радио-П., в виде последовательности импульсов.

Совр. теория связывает явление ра­дио-П. с начальным этапом жизни нейтронных звёзд. Напр., возраст П. в Крабовидной туманности, порождён­ного вспышкой Сверхновой звезды в 1054, составляет менее 1000 лет. Воз­никшая нейтронная звезда энергично излучает в радиодиапазоне за счёт эжекции в-ва в окружающее пр-во. Потери энергии приводят к замедле­нию вращения П., ослаблению эжек­ции и излучения. В результате на оп­ределённой стадии нейтронная звезда перестаёт быть радио-П. Она вновь становится П., но уже рентгеновским, когда период её вращения увеличива­ется до 1—10 с и магн. поле звезды уже не может сдерживать аккрецию в-ва. Падающее на звезду в-во второго компонента двойной системы попада­ет в горячие пятна на её поверхности, что приводит к появлению ударной волны и выделению гравитац. энер­гии. Практически вся гравитац. энер­гия аккрецирующего в-ва излучается в рентг. диапазоне. С наступлением фазы аккреции период вращения пере­стаёт увеличиваться и может даже на­чать уменьшаться, если аккрецирую­щее в-во передаёт звезде угловой мо­мент. Не исключено, что фаза рентг. П. у нейтронных звёзд повторяется.

• Пульсары. Сб. статей, пер. с англ., М., 1971; Д а й с о н Ф., X а а р Д., тер. Ней­тронные звезды и пульсары, пер. с англ., М., 1973; Явления нестационарности и звезд­ная эволюция, М., 1974; Шкловский И. С., Звезды. Их рождение, жизнь и смерть, 2 изд., М., 1977; Смит Ф., Пульсары, пер. с англ., М., 1979; Манчестер Р.,

Тейлор Дж., Пульсары, пер. с англ., М., 1980.

ПФУНДА СЕРИЯ, см. Спектраль­ные серии.

ПЬЕЗА (от греч. piezo — давлю) (пз, pz), единица давления и механич. напряжения в МТС системе единиц. 1 пз=1 сн/м²=10³ Па=10⁴ дин/см²=0,0102 кгс/см²=9,87•10^-3 атм=7,50 мм рт. ст.

ПЬЕЗОМАГНЕТИЗМ (пьезомагнитный эффект), возникновение в в-ве намаг­ниченности под действием внеш. дав­ления. П. может существовать только в антиферромагнетиках и принци­пиально невозможен в пара- и диамагнетиках. П. возникает, когда под действием приложенного давления симметрия магн. структуры анти-ферромагн. кристалла изменяется т. о., что в нём появляется слабый ферромагнетизм. Намагниченность в образце возникает в результате скоса магн. подрешёток или относительного изменения величины их намагничен­ности (см. Антиферромагнетизм). П. был экспериментально обнаружен по­ка (1982) лишь в трёх антиферромагн. кристаллах: MnF₂, CoF₂ и -Fe₂O₃. Величина намагниченности J_i в них пропорц. приложенному упругому на­пряжению _kl, т. е. Ji=_ikl_kl.

Пьезомагн. эффект невелик -- макс. значение _ikl (в CoF₂) составляет 2•10^-3 Гс•см²/кгс (~2•10^-12 Тл•м²/Н). Существует термодинамически обрат­ный эффект — линейная магнитострикция антиферромагнетиков, т. е. пропорциональное магн. полю линей­ное изменение размеров кристаллов при наложении внеш. поля.

•Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Боровик-Романов А. С., Антиферромагнетизм, в кн.: Антиферромаг­нетизм и ферриты, М., 1962 (Итоги науки. Физ.-мат. науки, т. 4).

А. С. Боровик-Романов.

ПЬЕЗОМЕТР (от греч. piezo — давлю и metreo — измеряю), прибор для определения изменения объёма в-ва под гидростатич. давлением (при практически пост. темп-ре). Конст­рукция П. определяется диапазоном применяемых давлений р и темп-р Т, агрегатным состоянием в-ва, его сжи­маемостью. В разл. типах П. с из­менением р может меняться либо объём V в-ва, либо масса его т (при пост. V). Пьезометрич. измерения используют для получения данных о сжимаемости в-в, для исследования диаграмм состояния, фазовых перехо­дов и др. физико-хим. процессов.

Для определения сжимаемости жид­костей и тв. тел при р ~10⁸—10¹⁰ Н/м² применяются П. плунжерного или поршневого типа (см. рис. 1, a в ст. Давление высокое). В процессе сжатия определяются V (по смещению порш­ней) и р. Передающей давление сре­дой часто служит само исследуемое в-во. При р ~10⁹—10¹⁰ Н/м² сжимае­мость определяют также др. мето­дами, напр. рентгенографическими (см. Рентгенография материалов). Изме-

597


нение линейных размеров тел под гидростатич. давлением измеряют ли­нейными П. (дилатометрами).

П. наз. также толстостенные сосуды в установках высокого давления с цилиндрич. каналом, не предназна­ченные для измерения сжимаемости. В зарубежной лит-ре П., кроме того, наз. приборы для измерения давления в проточных системах, давления воды в морских глубинах, газов в канале ствола орудия.

• См. лит. при ст. Давление высокое.

Л. Д. Лившиц.

ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ, см. Фотоупругость.

ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКИ, вещест­ва, обладающие одновременно ПП и пьезоэлектрич. св-вами. К П. отно­сятся Те, Se, полупроводники типа A ^IIB^IV (CdS, CdSe, ZnO, ZnS), A^IIIB^V (GaAs, InSb) и др. Наибольшими значениями пьезоэлектрич. константы d (см. Пьезоэлектрики) обладают гек­сагональные кристаллы типа A^IIB^IV (см. табл.).




П. применяются в пьезоэлектрич. преобразователях. Благодаря сильному электрон-фононному взаимодействию П. удобны для изучения акустоэлектронных взаимодействий (акустоэлектрического эффекта и др.).

Э. М. Эпштейн.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ, кристалличе­ские вещества, в к-рых при сжатии или растяжении в определённых на­правлениях возникает электрич. по­ляризация даже в отсутствии элект­рич. поля (п р я м о й п ь е з о э ф ф е к т). Следствием прямого пьезоэффекта явл. о б р а т н ы й п ь е з о э ф ф е к т — появление механич. деформации под действием электрич. поля. Связь между механич. и элект­рич. переменными (деформацией и электрич. полем) носит в обоих слу­чаях линейный характер. Обратный пьезоэффект следует отличать от электрострикции. Первое подробное исследование пьезоэффектов было про­ведено в 1880 франц. физиками братья­ми Ж. и П. Кюри на кристалле кварца. В дальнейшем пьезоэлектрич. св-ва были обнаружены более чем у 1500 в-в (см. Пьезоэлектрические ма­териалы).

Чтобы обнаружить пьезоэффект, на грани крист. пластинки накладывают металлич. обкладки. Если обкладки разомкнуты, то при деформациях пла­стинки между ними возникает разность потенциалов. В случае замк­нутых обкладок на них при деформа­ции появляются заряды, равные по величине (но противоположные по знаку) поляризац. зарядам, возни­кающим на поверхностях пластинки, и в цепи, соединяющей обкладки, течёт ток. При подключении к об­кладкам внешней эдс кристалл де­формируется.

Механизм пьезоэффекта можно по­яснить на примере кристалла кварца (рис. 1), элем. ячейка к-рого, содер­жащая три моле­кулы SiO₂, схема­тически изображе­на на рис. 2. При сжатии вдоль оси Х₁ положит. ион 1(Si⁺) и отрицат. ион 2(O^-) переме­щаются в глубь ячейки, в резуль­тате чего на плос­костях А и В появ­ляются заряды. При растяжении на плоскостях А и В возникают заряды противо­положного знака. Пьезоэффекты на­блюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Спра­ведливо общее утверждение: в кри­сталлах, обладающих центром сим­метрии, пьезоэффект невозможен. На­личие др. элементов симметрии (оси,



Рис. 1. Кристалл кварца SiO₂.



Рис. 2. Схема структуры кварца: проекции ионов Si⁺ и О^- на плоскость, перпендику­лярную оси третьего порядка. Заштрихован­ные кружки Соответствуют ионам Si⁺, свет­лые — паре ионов О^-; а, — недеформирован­ное состояние; б — сжатие вдоль оси X₁; в — растяжение вдоль оси X₁.


плоскости симметрии; см. Симметрия кристаллов) может запрещать появ­ление поляризации в некоторых на­правлениях или при деформациях, т. е. также ограничивает число кри­сталлов — П. В результате П. мо­гут принадлежать лишь к 20 то­чечным группам симметрии (из 32): 1, 2, 3, 4, 6, т, mm2, 3m, 4mm, 6mm, 222,4, 422, 42m, 6, 622, 6m 2, 32, 23m, 3. Кристаллы первых 10 классов — пироэлектрики, т. е. обладают поляризацией в отсут­ствие внешних воздействий. В этих кристаллах пьезоэффект проявляется, в частности, в изменении величины спонтанной поляризации при механич. деформации. Пьезоэлектрич. св-ва мо­жно создавать в некоторых некри­сталлических диэлектриках за счёт образования в них т. н. пьезоэлектрической текстуры, напр. поляриза­цией в электрическом поле (пьезокерамика), механич. обработкой (дре­весина) и др.

Количеств. хар-кой пьезоэффекта явл. совокупность пьезоконстант — коэфф. пропорциональности в соот­ношениях между электрич. величина­ми (напряжённость электрич. поля Е, поляризация P) и механич. вели­чинами (механич. напряжения , от­носит. деформации u). Напр., поляри­зация, возникающая в П. под дей­ствием механич. напряжения , вы­ражается соотношением P=d. Пол­ная поляризация (с учётом электрич. поля) складывается из поляризации, вызванной механич. напряжением, и поляризации, вызванной электрич. по­лем. Она равна: P=d+E( диэлектрич. восприимчивость). Коэфф. d — одна из пьезоконстант. Т. к. механич. напряжения могут быть пред­ставлены как совокупность шести не­зависимых величин (сжатия и растя­жения вдоль трёх осей, а также сдвиги в плоскостях, перпендикулярных этим осям), а вектор поляризации имеет три независимые компоненты, то в общем случае может быть 18 разных пьезоконстант. Пьезоконстантами наз. также коэфф. в соотношениях: P=ru+Е, u=s+gP (коэфф. s — упругая податливость) и т. п. Все пьезоконстанты (d, r, g) связаны друг с другом, так что при описании пьезо­электрич. св-в кристалла можно огра­ничиться только константами одно­го типа, напр. d.

Величины пьезоконстант сильно раз­личаются для кристаллов разных ти­пов. Для ионных кристаллов порядок величины пьезоконстант можно оце­нить след. образом. Допустим, что разноимённые ионы сдвинулись под действием механич. напряжения  на расстояние l. Возникший при этом дипольный момент на единицу объёма P~е1/а³, где е — заряд иона (можно считать равным заряду эл-на), а — постоянная решётки. Относит. дефор­мация u~l/а. Из выражений P=d и =cu (Гука закон) следует, что d~P/=P/lcu~e/a²c. Принимая е~ ~10^-10 ед. СГСЭ, a~10^-8—10^-7 см, а с~10¹² СГСЭ, получим d=10^-6— 10^-8 ед. СГСЭ. Для кварца, напр., величины пьезоконстант составляют неск. ед. на 10^-8 ед. СГСЭ. Сущест­венно больших величин могут дости­гать пьезоконстанты у сегнетоэлектриков, т. к. их поляризация может быть связана с перестройкой доменной структуры при механич. деформации.

П. применяются в технике и лабо­раторной практике, медицине и др.

• Кэди У., Пьезоэлектричество и его практические применения, пер. с англ., М., 1949; Калашников С. Г., Электриче­ство, 4 изд., М., 1977; С и в у х и н Д. В., Общий курс физики, т. 3, М., 1977. См. так­же лит. при ст. Диэлектрики.

А. П. Леванюк.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, вещества с хорошо выражен­ными пьезоэлектрич. св-вами (см. Пьезоэлектрики),

598


ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НЕКОТОРЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ



применяемые для изготовления пьезоэлектрич. преоб­разователей. Осн. хар-ки в системе ед. СИ(см. табл.): 1) коэфф. злектромеханич. связи K=d(c/₀)(d — пьезомодуль, с — модуль упругости,  — диэлектрич. проницаемость, ₀ — электрическая постоянная); 2) вели­чина K²/tg, определяющая кпд пре­образователя (б — угол диэлектрич. потерь); 3) отношение механич. мощ­ности пъезоэлемента на резонансной частоте к квадрату напряжённости электрич. поля в нём, определяется величиной (dc)²; 4) величины dc(c_зв), и d(с_зв/), характеризующие отно­сит. чувствительность приёмника зву­ка в области резонанса и на низких частотах (c_зв — скорость звука в П. м.).

П. м. явл. монокристаллы, природ­ные или искусственно выращиваемые (кварц, дигидрофосфаты калия и ам­мония, сегнетова соль и др.) и поликрист. тв. растворы, подвергнутые предварит. поляризации в электрич. поле (пьезокерамика). Наиболее рас­пространённый пром. П. м.— пьезокерамика.

Р. Е. Пасынков.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРА­ЗОВАТЕЛЬ, электромеханич. или электроакустический преобразователь, действие к-рого основано на пьезо­электрич. эффекте (см. Пьезоэлектри­чество). Осн. часть П. п. состоит из отдельных или объединённых в груп­пы пьезоэлементов (стержней, пла­стинок, дисков, цилиндров и т. д.

из пьезоэлектрического материала) с нанесёнными на определённые по­верхности электродами. С электродов снимается электрич. заряд, образую­щийся при прямом пьезоэффекте, или к ним подводится электрич. напряже­ние для создания деформации в ре­зультате обратного пьезоэффекта. В за­висимости от назначения и диапазона рабочих частот для изготовления П. п. применяют разл. пьезоэлектрич. ма­териалы, наиболее часто — пьезокерамику.

П. п. используются в УЗ тех­нологии и дефектоскопии, гидроаку­стике, радиовещании, виброметрии, радиоэлектронике, а также в акустоэлектронике в качестве мощных ис­точников УЗ, излучателей и приём­ников звука, акустич. антенн, мик­рофонов и гидрофонов, резонаторов, фильтров и т. д. Соответственно диа­пазон рабочих частот П. п. весьма •широк от единиц Гц в сейсмич. исследованиях до ГГц в акустоэлектронике. П. п.— излучатели, вибра­торы, резонаторы обычно работают в узком диапазоне частот вблизи резо­нанса их механич. системы, а П. п.— приёмники — в широком диапазоне частот вне резонанса. В области ча­стот больше 100 кГц преим. исполь­зуют П. п. в виде оболочек и пла­стин, колеблющихся по толщине; на частотах, больших 10 МГц и в диа­пазоне ГГц, — в виде очень тонких пластин или плёнок из пьезополупроводниковых материалов. При ре­зонансных рабочих частотах 40—100 кГц применяются стержни на продольных колебаниях, при ещё бо­лее низких частотах — составные П. п. в виде стержней с пассивными на­кладками. В УЗ технологич. ус­тановках П. п. применяют в соче­тании со стержневыми концентрато­рами или излучающими диафрагмами. В качестве излучателей и приёмников звука в водной среде широко исполь­зуется П. п. в виде пьезокерамич. колец. Ниже 5—10 кГц часто приме­няют П. п. в виде биморфных пла­стин, совершающих поперечные коле­бания изгиба или кручения. П. п. в виде полых пьезокерамич. сфер, по­ляризованных по толщине, использу­ются как широкополосные ненаправ­ленные гидрофоны. В наиболее рас­пространённых условиях работы П. п. как излучателей их кпд ~40—70%. Макс. мощность П. п. ограничивает­ся допустимой напряжённостью элект­рич. поля и механич. прочностью, а также его разогревом.

• Г у т и н Л. Я., Пьезоэлектрические из­лучатели и приемники, «ЖТФ», 1946, т. 16, в. 1; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, т. 1, ч. А, М., 1966; Ультразвуковые преобразователи, пер. с англ., под ред. Е. Кикучи, М., 1972.

Б. С. Аронов, Р. Е. Пасынков.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО (пьезоэлек­трический эффект), изменение поля­ризации нек-рых диэлектрич. кри­сталлов (пьезоэлектриков) при меха­нич. деформации.

599