Logo
Logo

Пьезоэффект

A1  1.60 Измерьте штангенциркулем длину $l$, ширину $w$, и толщину $t$ выбранной пьезопластинки. С помощью предоставленных электронных весов взвесьте эту пьезопластинку. Вставив пластинку в зажим Кельвина (6) измерьте мультиметром её электроемкость $C$.
Учитывая то, что размеры пластинки неодинаковы в разных точках, проведите несколько измерений, рассчитайте средние величины и их стандартные погрешности.

Ответ:
 $l,~\text{мм}$$w,~\text{мм}$$t,~\text{мм}$$m,~\text{г}$$C,~\text{нФ}$
145.07.11.0 18.68
245.07.11.018.70
345.07.11.018.70
445.07.01.018.76
545.07.01.018.64
645.07.01.018.72
Avg$45.00\pm0.05$$7.00\pm0.07$$1.00\pm0.05$$2.31\pm0.03$$18.70\pm0.04$

A2  1.40 Вычислите плотность $\rho$ и диэлектрическую проницаемость $\varepsilon_r$ пьезопластинки. Используя погрешности, найденные в части A1, рассчитайте погрешности величин $\rho$ и $\varepsilon_r$ (диэлектрическая постоянная $\varepsilon_0=8.85\cdot10^{-12}~\text{Ф}/\text{м}$).

Ответ: \[ \rho = \frac{m}{lwt}=(7.4 \pm 0.4)~\text{г}/\text{м}^3\]
\[ \varepsilon = \frac{Ct}{\varepsilon_0 lw}=(65 \pm 3) \cdot 10^3\]

B1  1.00 Для приведённой эквивалентной электрической схемы получите формулы для резонансной $f_r$ и антирезонансной $f_a$ частот.

Импеданс $Z$ эквивалентной схемы вычислим из соотношения
\[\frac{1}{Z} = i \omega C_0 + \frac{1}{\frac{1}{i \omega C_1}+i \omega L}, \quad \Rightarrow \quad Z = \frac{1}{i \omega} \frac{1 - \omega^2L_1C_1}{C_0 - \omega ^2 L_1 C_0 C_1 + C_1}.\]

При резонансе $|Z| \to 0$ или же $1 = \omega^2 L_1 C_1$, поэтому $f_r = \dfrac{1}{2\pi \sqrt{L_1C_1}}$. При антирезонансе $|Z| \to \infty$ или же $C_0 + C_1 = \omega ^2 L_1 C_0 C_1$, поэтому $f_a = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{1}{L_1 C_1} + \dfrac{1}{L_1 C_0}}$.

Ответ: \[f_r = \frac{1}{2\pi \sqrt{L_1C_1}}, \quad f_a = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{1}{L_1 C_1} + \frac{1}{L_1 C_0}}\]

B2  3.50 Измерьте зависимость силы тока $I$ через пьезопластинку как функцию частоты подаваемого напряжения $f$. Постройте график зависимости $I(f)$ и определите по нему резонансную $f_r$ и антирезонансную $f_a$ частоты. Исходя из этого, вычислите пьезоэлектрический коэффициент $d$.

$f,~\text{кГц}$$I,~\text{мA}$$f,~\text{кГц}$$I,~\text{мA}$$f,~\text{кГц}$$I,~\text{мA}$$f,~\text{кГц}$$I,~\text{мA}$
20.5830.520.8632.44.8234.31.18
41.1330.621.2832.54.0634.41.37
61.6830.721.5032.63.3734.51.52
82.2130.821.4732.72.7634.61.67
102.7530.921.1332.82.2034.71.82
123.2931.020.5132.91.7334.81.96
143.8531.119.6433.01.2934.92.10
164.4231.218.5533.10.94352.23
185.0331.317.3533.20.66363.35
205.6931.416.0633.30.47374.18
226.4631.514.7333.40.36384.82
247.3931.613.4033.50.31395.34
268.7231.712.1033.60.33405.78
2811.0531.810.8533.70.38  
3017.6931.99.6533.80.48  
30.118.3432.08.5533.90.60  
30.218.9932.17.5034.00.74  
30.319.6632.26.5234.10.89  
30.420.2932.35.6334.21.04  

Из графика найдем
\[f_r=30.7~\text{кГц}, \quad f_a=33.5~\text{кГц}.\]
Рассчитаем $d$:
\[ d = \sqrt{\frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r}{128 f_r^4l^2 \rho \left[\frac{1}{(2\pi f_a)^2 - (2 \pi f_r)^2} + \frac{1}{32f_r^2} \right]}}=4.4 \cdot 10^{-10}~\text{м}/\text{В}\]

Ответ: \[ d =4.4 \cdot 10^{-10}~\text{м}/\text{В}\]

C1  1.50 Измерьте ёмкость пьезопластинки при различных температурах и заполните таблицу измерений.

$T,~^\circ\text{C}$$C,~\text{нФ}$$1/C, ~1/\text{нФ}$
17.016.800.0595
30.018.250.0548
40.019.770.0506
50.021.080.0474
60.023.070.0433
70.025.600.0391
80.027.800.0360

C2  2.50 Проведите анализ полученных измерений, постройте график в разумных координатах и определите по нему температуру Кюри.

Из графика $1/C= (-0.38 \cdot \frac{T}{^\circ\text{C}} + 66.0) \cdot 10^{-3}$, поэтому $T_c=\frac{66.0}{0.38}~^\circ\text{C}=174~^\circ\text{C}$.

Ответ: \[T_c=174~^\circ\text{C}\]

D1  0.60 Введём обозначения: $L$ — длина бруска, $u$ — скорость волны.
Напишите выражения для частот $f_n$ стоячих (резонансных) волн, расположенных вдоль длинной стороны бруска при его незакреплённых концах. Выразите скорость $u$ через $f_n$.

Разложим смещение $u(x,t)$ точки с координатой $x$ по двум бегущим волнам:
\[ u(x,t) = Ae^{i\omega t - ikx} + Be^{i \omega t + ikx}.\]

Для бруска со свободными концами должна обращаться в 0 производная $\partial u/\partial x$ на концах.
\[
\begin{cases}
\partial_x u(0,t) = -ikA e^{i \omega t} + ikB e^{i\omega t} =0\\
\partial_x u(L,t) = -ikA e^{i \omega t-ikL} + ikB e^{i\omega t+ikL} =0\\
\end{cases}
\]
Из первого уравнения $A=B$, из второго $\sin kL=0$. С учетом соотношения $u=\frac{\omega}{k}$ получим
\[ f_n= \frac{un}{2L}.\]

Ответ: \[f_n=\frac{un}{2L}\]

D2  1.60
Измерьте рулеткой длину $L$ алюминиевого бруска. Повторите измерения несколько раз, найдите среднюю длину и стандартное отклонение.
Изменяя частоту звуковых волн, издаваемых первой пластинкой, найдите резонансные пики тока, протекающего через вторую пластинку. Постройте спектр резонансных частот по аналогии с графиком на рисунке.

 12345Avg
$L,~\text{см}$49.950.050.050.150.0$50.0\pm0.1~\text{см}$

$f,~\text{кГц}$$I,~\text{мкА}$$f,~\text{кГц}$$I,~\text{мкА}$
6.3716.526.40296.2
8.8142.629.47429.9
11.81144.031.14109.2
14.70249.532.35907
17.54336.935.22671
20.45247.738.76446.8
23.44358.440.13479

Ответ:
Красные - поперечные волны, Черные - неизвестные пики

D3  1.40 Найдите резонансные пики силы тока для поперечных стоячих волн. Определите скорость поперечных волн в алюминии. Рассчитайте погрешности.

Внимание: вы можете получить пики, которые не имеют отношения к поперечным волнам, из-за несовершенства установки (например, неидеальности граничных условий). Вам нужно понять, какие пики не относятся к поперечным стоячим волнам при анализе результатов.

На графике красным выделены равноудаленные пики, образующие последовательность $f_n = n \Delta f_\text{поп}$, где $\Delta f_\text{поп} = (2.98 \pm 0.02)~\text{кГц}$. Таким образом $u_\text{поп}=2L \Delta f_\text{поп} = (2.98 \pm 0.02)~\text{км}/\text{с}$.

Ответ: \[ u_\text{поп}= (2.98 \pm 0.02)~\text{км}/\text{с} \]

D4  1.50 Изменяя частоту звуковых волн, возбуждаемых первой пластинкой, найдите резонансные пики тока, протекающего через вторую пластинку. Постройте спектр резонансных частот.

$f,~\text{кГц}$$I,~\text{мкА}$$f,~\text{кГц}$$I,~\text{мкА}$
5.1815.529.40848
8.9052.730.641940
10.50216.232.331593
14.53103.635.202589
15.53353.335.552331
20.6355537.811043
23.39156.438.74118.8
24.6845.840.26450
25.67132840.79194.5
26.44414.541.5332.7

Ответ:
Синие - продольные волны, Красные - поперечные волны, Черные - неизвестные пики

D5  1.40 Сравнивая полученный спектр со спектром из п. D2, определите резонансные пики от поперечных волн. Выделите резонансные пики, соответствующие продольным волнам и найдите их скорость. Рассчитайте погрешности.

На графике синим выделены равноудаленные пики, образующие последовательность $f_n = n \Delta f_\text{прод}$, где $\Delta f_\text{прод} = (5.06 \pm 0.02)~\text{кГц}$. Таким образом $u_\text{прод}=2L \Delta f_\text{прод} = (5.06 \pm 0.02)~\text{км}/\text{с}$.

Ответ: \[u_\text{прод}=(5.06 \pm 0.02)~\text{км}/\text{с}\]

E1  1.20 Изменяя частоту звуковых волн, издаваемых первой пластинкой, найдите резонансные пики тока, протекающего через вторую пластинку. Постройте спектр резонансных частот.

$f,~\text{кГц}$$I,~\text{мкА}$$f,~\text{кГц}$$I,~\text{мкА}$
5.069.124.95150.9
8.016.125.17751
8.8566.030.27441
10.0943.833.37432.7
15.0534.935.27430.1
15.14105.239.23241.9
17.15358.940.82242.4
20.1157.241.0557.7

Ответ:
Красные - поперечные волны, Синие - продольные волны, Черные - неизвестные пики

E2  0.80 На построенном графике отметьте резонансные пики, соответствующие продольным стоячим волнам, и найдите расстояние от надпила до края бруска, к которому прижимаются пьезопластинки.

На графике зеленым выделены равноудаленные пики, образующие последовательность $f_n = n \Delta f_\text{прод}$, где $\Delta f_\text{прод} = (8.06 \pm 0.06)~\text{кГц}$. Таким образом $L_x = \dfrac{u_\text{прод}}{2\Delta f_\text{прод}}=31.3~\text{см}$.

Ответ: \[L_x =31.3~\text{см}\]