15) Диэлектрики. Диэлектрическая проницаемость биологических тканей и жидкостей. Использование прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта в медицинской аппаратуре. Пьезоэффект костной ткани.

Диэлектриками называют тела, не проводящие электрического тока.

Термин <диэлектрик> введен М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля, в отличие от металлов, внутри которых электростатического поля нет. К диэлектрикам относят твердые тела, такие, как эбонит, фарфор, жидкости (например, чистая вода), газы.

Условно выделим три класса диэлектриков: 1) с полярными молеку­лами; 2) с неполярными молекулами; 3) кристаллические.

К первому классу принадлежат такие вещества, как вода, нитро­бензол и др.

Ко второму классу диэлектриков относят такие вещества (напри­мер, водород, кислород и др.), молекулы которых при отсутствии электрического поля не имеют дипольных моментов.

Третий класс - кристаллические диэлектрики (например, NaCl), решетка которых состоит из положительных и отрицательных ио­нов.

Все эти процессы, происходящие в разных диэлектриках, нахо­дящихся в электрическом поле, объединяют общим термином поляризация, т.е. приобретение диэлектриком полярности.

Для первого класса диэлектриков характерна ориентационная поляризация, для второго - электронная, т.е. смещение главным образом электронов, для третьего - ионная.

Такая классификация условна, так как в реальном диэлектрике могут одновременно существовать все виды поляризации.

Изменение напряженности электрического поля, в котором находится диэлектрик, будет влиять на состояние его поляризации. Для оценки состояния поляризации диэлектрика вводят величину, называемую поляризованностъю, среднее значение которой равно отношению суммарного электрического момента элемента диэлек­трика к объему этого элемента:

•Р_е = ∑ P_i/V

Единицей поляризованности является кулон на квадратный метр

(Кл/м²).

При поляризации диэлектрика на одной его поверхности (грани) создаются положительные заря­ды, а на другой - отрицательные. Эти электрические заряды называют связанными, так как они принад­лежат молекулам диэлектрика (или кристаллической решетке при ионной поляризации) и не могут перемещаться в отрыве от молекул или быть удалены с по­верхности диэлектрика в отличие от свободных зарядов, которых в идеальном диэлектрике нет.

При возрастании напряженности электрического поля упорядо­чивается ориентация молекул (ориентационная поляризация), увеличиваются дипольные моменты молекул (электронная поляри­зация), а также происходит смещение <подрешеток> (ионная поля­ризация) - все это приводит к увеличению поверхностной плот­ности а_св связанных электрических зарядов.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

В кристаллических диэлектриках поляризация может возникнуть при отсутствии электрического поля при деформации. Это явление получило название пьезоэлектрическою эффекта (пьезоэффекта).

Различают поперечный пьезоэффект и продольный.

Пьезоэлектрический эффект обусловлен деформацией элемен­тарных кристаллических ячеек и сдвигом подре-шеток относительно друг друга при механичес­ких деформациях. Поляризованность при не­больших механических деформациях пропор­циональна их величине. Пьезоэффект возникает в кварце, сегнетовой соли и других кристаллах, в которых элементарная ячейка решетки не имеет центра симметрии.

Оба пьезоэффекта - прямой и обратный - применяют в тех случаях, когда необходимо преобразовать механическую величину в электрическую, или наоборот.

Так, прямой пьезоэффект используют в медицине - в датчиках для регистрации пульса, в технике - в адаптерах, микрофонах и для измерения вибраций, а обратный пьезоэффект - для создания механических колебаний и волн ультразвуковой частоты.