Схематическое изображение пьезоэффекта титаната свинца. Растяжение кристаллической решетки и возникновение полюсов "+" и "-" (диполя)

Что заставляет зажигалку получать искру?

Сегодня поговорим о таком явлении, как пьезоэлектрический эффект. С ним встречался в жизни каждый, когда щёлкал зажигалку или включал газовую плиту искрой. Никогда не задумывались, откуда эта искра берется без электричества?

Пьезоэлектрический эффект - это возникновение электрического напряжения в твердом теле при его деформации. И это твердое тело, обычно, не является проводником. Обычно это диэлектрики со сложной кристаллической решеткой, например, титанат бария (BaTiO3). Как же так получается?

Все мы знаем из школьного курса физики, как ведёт себя диэлектрик в электрическом поле. Если не знаете - скажу - он поляризуется. Т.е. он делится на области, у которых есть с одной стороны положительный, а с другой - отрицательный заряд. Они называются диполями. И в электрическом поле эти диполи поворачиваются параллельно ему. Что-то похожее происходит в пьезоэлектрике при его деформации.

Кристаллическая решетка пьезоэлектрика состоит из положительных и отрицательных частиц - ионов, расположенных в определенных местах (в узлах решетки или между ними). Такая решетка, как правило, не имеет центра симметрии, однако расстояние между разноименными зарядами таково, что в целом кристалл остаётся нейтральным. Если эту решетку начать деформировать (растягивать или сжимать) в каком-то из направлений, то расстояние между одними ионами увеличится, а между другими - уменьшится. Произойдет нарушение симметрии зарядов, таким образом в одном месте кристалла возникнет избыток положительных, а в другом - избыток отрицательных зарядов. То есть одна часть станет положительно, а другая - отрицательно заряженной, а между сторонами кристалла возникнет разность потенциалов, т.е. электрическое напряжение.

В пьезозажигалке при нажатии на кнопку происходит удар по пьезоэлементу, который кратковременно деформируется, и возникшее на долю секунды напряжение в нем, выдает искру. Ну а при воздействии горящего газа и кислорода мы получаем пламя. Вот так все просто.

Пьезоэффект нашел себе применение во многих отраслях, помимо зажигалок, везде, где используется преобразование механической энергии в электрическую и наоборот. Ведь обратный пьезоэффект также существует, когда при приложении напряжения к кристаллу, он изменяет свою форму. В основном по прямому пьезоэффекту работают различные датчики, где нужно измерять какую-то механическую силу, в микрофонах, звукоснимателях, и т.д. Обратный пьезоэффект используется в различных излучателей акустических волн, в том числе ультразвуковых. Даже обычный испаритель воздуха работает на основе этого явления (как, кстати?).

В нашей работе есть направление метода акустической эмиссии. Это когда мы подсоединяем к металлу пьезодатчик и смотрим, как он реагирует на различные процессы, происходящие в металле, ведь металл лучше всего проводит звуковые волны. Так можно с помощью этого метода слышать, распространение хрупкой трещины до того, как ее становится видно.

Вот такое вот полезное открытие совершили братья Кюри в свое время.

Как работает увлажнитель воздуха?

А вот и ещё один представитель пьезоэлектрического эффекта, с которым мы сталкиваемся в быту. Речь пойдет об ультразвуковом увлажнителе воздуха, который для дома используется чаще всего. Процесс гениально прост.

Мы все привыкли, что пар образуется, когда вода закипает. Но испарение, на самом деле, происходит медленно и почти постоянно с поверхности жидкости, а кипение - это интенсивное испарение при нагреве. Интенсивное испарение можно вызвать не только нагревом воды, можно ещё испарять холодную воду. На помощь, как раз приходит пьезоэлемент.

Современные испарители работают следующим образом: в них установлена пьезоэлектрическая мембрана, на которую подаётся переменное напряжение, и она под действием обратного пьезоэффекта начинает деформироваться (выгибаться) то в одну сторону, то в другую. Возникают колебания этой мембраны, частота которых близка к частоте ультразвуковых волн. То есть капли механически вырываются ульразвуковыми колебаниями. Такая частота волны позволяет оторвать мелкие капли воды с поверхности и, тем самым, превратить их в пар. Таким образом, образуется холодный пар, который в дальнейшем при помощи вентилятора поднимается вверх и выходит в комнату. И правда, ведь, если вы поднесете руку к испарителю, вы не обожжетесь, и пар будет холодный. Попробуйте.

Вот такое вот нехитрое изобретение ворвалось в нашу повседневную жизнь.

Здесь на картинке изображены основные компоненты увлажнителя, в том числе и пьезомембрана.

Эбонитовая палочка, расческа и прочее.

Продолжаем говорить об электричестве, и на этот раз у нас более простое и повседневное, знакомое всем с детства явление - электризация тел при их трении друг о друга. И называется это трибоэлектрическим эффектом.

Все знают, что при трении эбонитовой палочки о шерсть или стекла о шелк эти тела заряжаются. Более продвинутые знают даже, каким знаком. Ещё меньше людей могут ответить, почему тела при трении заряжаются, и уж точно, никто из детей и взрослых не скажет, почему именно стекло заряжается положительно, а эбонит отрицательно, не наоборот.

Сегодня попытаемся это выяснить, но сразу скажу, ответ на последний вопрос я сам не знал, и до конца даже не уверен, что нашел ответ.

Итак, при трении тел друг о друга происходит обмен электронами. Так как заряжаются в основном диэлектрики, обмен электронами у них при обычном соприкосновении затруднён, ведь у них, в отличие от металлов, нет свободных носителей заряда. Чтобы электроны перешли от одного диэлектрика к другому, надо приложить усилие и вырвать их из материала. Одним из таких способов является трение. К слову сказать, в зависимости от строения диэлектрика и типов связей в нем, теоретически, не только электроны могут переходить в другой материал. Но по большей части, это, всё-таки, они, так как оторвать их от атома проще, чем вырвать атом или молекулу из диэлектрика. Таким образом, при обмене зарядов, вызванным трением, один материал получает избыток положительных, а другой - избыток отрицательных зарядов.

В школьной физике рассматриваются только два варианта трения тел друг о друга: стекла о шелк и эбонитовой палочки о шерсть (или мех). Все ученики, а может даже и учителя, просто запоминают, что стекло при трении о шелк заряжается положительно, а шелк - отрицательно. В то же время при трении эбонита о шерсть (мех) эбонит заряжается отрицательно, а шерсть - положительно. Но никто нигде не может объяснить, почему это происходит именно так.

На самом деле, как я понял, вопрос передачи заряда между диэлектриками не такой уж и простой. Многие учёные экспериментально (!) строили шкалы, по которым можно определить, какой из материалов зарядится положительно. Одна из таких эмпирических шкал будет на рисунке далее. И, выбирая на шкале материалы, мы определяем положительно заряженным тот, который находится ближе к плюсу по шкале. Как видно, стекло находится выше шелка, отсюда и наш вывод. Но у других ученых шкалы отличались, и как прийти к одной теории - не понятно. К тому же на результат электризации при трении сильно влияют внешние условия (влажность, температура и т.д.). Как сопоставить экспериментальные школы разных учёных - непонятно. Но для объяснения школьнику, почему так, а не по-другому этого вполне достаточно.

Если углубляться далее, то на следующем рисунке показано вполне наглядное (для тех, кто немного в теме) изображение процесса передачи электронов от одного материала к другому при их контакте. Этот рисунок на языке энергии электронных оболочек показывает, что чем больше энергия электронного облака (более глубокая энергетическая яма на рисунке), тем охотнее электрон перейдет к атому с меньшей энергией электронного облака (менее глубокая яма), и они оба приобретут соответствующие заряды. Таким образом, существуют материалы, у которых проще оторвать электрон механически, из-за особенностей строения электронных оболочек их атомов (величины их энергии). И они, отдавая электроны будут заряжаться положительно.

Механизм отрыва электронов с оболочек определенных атомов в диэлектриках может быть очень сложным. Ведь строение у них совершенно разное, и, зачастую, аморфное. И если опустить подобные тонкости, то вышеописанная теория имеет место быть.

Так что же отвечать обывателям, которые, наверняка не очень понимают про электронные оболочки и их энергию? Отвечайте следующее: стекло более охотно отдает электроны при трении, чем эбонит, поэтому заряжается положительно. Есть шкала, по которой можно определить, что и как заряжается. Шкала экспериментальная. Все.

Вот и шкала. Тот материал, что ближе к плюсу будет положительным.

А это объяснение электризации на языке энергии электронных оболочек атомов.

Теперь конкретно про эбонит и стекло мое личное мнение. Предполагаю, что отток электронов с эбонита затруднён ввиду его структуры. Эбонит - это по сути твёрдая резина, а резина, хоть и аморфная, но пронизана пространственной сеткой из длинных молекул. А стекло - это оксид кремния. То есть у эбонита более сложная и длинная молекула, в которой в прочных атомных связях участвуют электроны, и они там жёстко закреплены. В молекуле оксида кремния не такие прочные связи, и, возможно из-за этого, он может, будучи аморфным поделиться электроном, когда мы механически попытаемся его у него забрать. Наверное, как-то так. Это не точно. Глубоко не копал, там где копал информации не нашел, но по моим логическим рассуждениям пришел к такому выводу. Подскажите, может кто-то из вас знает другое объяснение.

Итак друзья, весна пришла, скоро поедем переобувать машины, а кто-то, возможно, покупать новые шины. Кто-нибудь знает вообще как расшифровывается маркировка шин? Интересно, но выпускникам 9 классов уже предлагается познакомиться с этой сферой взрослой жизни на ОГЭ по математике. Там вообще много заданий из жизни, с которыми школьники реально не сталкиваются.
Если кто знаком с маркировкой, рассчитайте диаметр колеса из примера на фото. Пишите в комментарии. Потом разберем.

Вот текст задания с ОГЭ, в котором все понятно объясняют по маркировке шин. Итак на предыдущей фотографии мы видим, что ширина шины 185 мм, а высота боковины составляет от ширины 60%, то есть 185*0.6=111 мм. Чтобы найти диаметр колеса надо к диаметру диска ( или отверстия для него) прибавить две высоты боковины. Диаметр диска у нас 15, но дюймов. В одном дюйме примерно 25.4 мм, соответственно 15*25.4= 381 мм. Итого диаметр диска + две высоты боковины 381 + 111*2 = 603 мм диаметр всего колеса. Один человек в комментариях посчитал верно.

А вы бы такое решили в 9 классе?

Всем привет, есть кто из Волгограда?

Всем привет!
Ну что, давайте задачку за 7 класс решим. Пригодится может кому.

Некоторое тело весит в воздухе 100Н, а в воде - 50Н. Сколько оно будет весить в керосине? Ответ пишите в комментарии.

Ну и ещё одна для спешащих в метро: эскалатор поднимается со скоростью 2м/с, можно идти по нему вверх со скоростью 2 м/с, как это обычно делают в Москве, а можно стоять на месте и ехать вместе с эксалатором, как это делают в других городах. Сколько спешащие люди сэкономят времени, если будут тратить свои силы, поднимаясь вверх, если глубина станции метро по вертикали 100 м, а эскалатор наклонен к горизонту под 45 градусов?

Ну и в догонку к предыдущей задаче. Какую работу совершит поднимающийся по эскалатору человек по преодолению силы тяжести?

Итак решение. Задача 1.
Если говорят, что тело весит в воздухе 100 Н, значит на него действует сила тяжести mg= 100 Н. В воде помимо силы тяжести на тело действует сила Архимеда, которая равна произведению плотности жидкости, объёма погруженной части тела и ускорения свободного падения ro*g*V. Равнодействующая сила, которая действует на тело и является по сути его весом и находится mg - ro*g*V, т.к. архимедова сила направлена против силы тяжести. Тогда если mg=100, то из уравнения 100 - ro*g*V = 50 находим объем тела V, который равен 0.005 кубических метров (плотность воды подставили 1000). Дальше берём ту же формулу для равнодействующей силы и подставляем в качестве плотности жидкости плотность керосина а объем берём найденный только что, ведь он в керосине будет тот же. И получаем 100 - 800*10*0.005 = 60 Н весит тело в керосине

Теперь задача 2: если идти, как сказано в задаче, со скоростью 2 м/с относительно эскалатора вверх, то наша скорость относительно земли будет находится как сумма указанной выше скорости и скорости эскалатора. То есть относительно земли мы будем идти со скоростью 2+2=4 м/с. Для того чтобы найти, за сколько времени мы поднимемся, надо узнать длину эскалатора и разделить ее на скорость. Эскалатор наклонен к горизонту под 45 градусов, а если вообразить, будто он как лестница приставлен к стенке можно увидеть прямоугольный треугольник, у которого один катет равен глубине станции 100м, а другой тоже 100 м, т.к. если прямоугольный треугольник имеет один из острых углов 45 градусов, то другой острый угол тоже будет равен 45 градусов, и треугольник оказывается равнобедренным. Зная два катета можно по теореме Пифагора найти гипотенузу, т.е. длину эскалатора. Она будет равна корню из 20000, что примерно 141м. Теперь 141/2 = 70.5 с будем подниматься, если будем стоять на эскалаторе, а 141/4 = 35.25 с, если идти по нему. Сэкономить получится около 35 секунд, или в два раза быстрее подняться. Вот и думайте, стоит ли оно того. Для больших расстояний, может, и стоит, а для маленьких - не знаю.

А что на счёт работы? Поднимающийся по эскалатору человек преодолевает силу тяжести, прикладывая для своего движения такую же по модулю силу, двигаясь равномерно. Сила тяжести, допустим, при весе человека в 70 кг равна mg = 700Н. Работа - это приложенная сила, умноженная на пройденное расстояние, причем вектор перемещения надо спроецировать на направление силы. А у нас известно уже, что проекция перемещения на вертикальную ось равна 100 м (см. Прямоугольный треугольник), поэтому просто силу тяжести умножаем на 100 и получаем 70000 Дж. Много это или мало?

Вот тут как раз и подобрались, к тому, как ощутить количество энергии. Самый простой пример, ощутить на себе, что такое 1 джоуль - это взять груз массой 100 г и уронить его себе на ногу с высоты 1 м. Потенциальная энергия, равная mgh, вся перейдет в вашу боль. Вроде не очень больно, но приятного мало. Можете попробовать. Чтобы понять, что такое 70000 Дж из предыдущей задачи, не будем ронять себе на ногу 7 тонный груз. Измерим просто это в еде, ведь еда это то, за счёт чего мы получаем энергию. Ну например в шоколадках. В одной шоколадке примерно 500 ккал, а 1 ккал = 4184 Дж. Значит в одной шоколадке 500*4184= 2092000 Дж. Цифра огромная. Получается, что поднявшись по эскалатору со станции глубиной 100 метров мы потратим энергию полученную от 0.03 шоколадки. Делайте выводы сами. Разное восприятие энергии даёт разное отношение к этой ситуации. Вот вам прикладная жизненная математика и физика.

Мало кто помнит и запоминает, но в этот день 26 апреля произошла самая страшная авария в истории атомной энергетики и самая масштабная по радиационному загрязнению с огромным выходом в атмосферу продуктов деления и многокилометровой зоной отчуждения - авария на Чернобыльской АЭС. Не будем здесь говорить о причинах и процессе самой аварии, потому что уже много документальных и художественных фильмов, книг рассказали об этом. Много противоречивой информации и тайн содержит для обычного человека эта трагедия, но она по прежнему остаётся большой трагедией и, отчасти, результатом неосведомлённости масс и  расслоения общества и руководящей элиты в разваливающейся стране.