Особенности структуры пьез кристаллов

Введение……………………………………………………………………………...4
1Исторический очерк пьезоэлектрических кристаллов…………………………..6
2Кристаллография в физике………………………………………………………...8
2.1 Системы симметрии кристаллов…………………………………………8
2.2 Индексы Миллера………………………………………………………..11
3 Описание пьезоэлектрического эффекта………………………………………..12
3.1Прямой пьезоэлектрических эффект……………………………………13
3.2Обратный пьезоэффект…………………………………………………..14
3.3 Кристаллическая структура эффекта…………………………………...18
3.4 Модельное рассмотрение………………………………………………..20
3.5Пьезоэлектрические материальные уравнения………………………...24
4Пьезокристаллы, их свойства и применение……………………………………25
4.1Кристаллы кварца, их свойства и применения…………………………25
4.2Физические свойства кварца…………………………………………….27
4.3Уравнения пьезоэлектрических свойств………………………………..30
4.4Типы колебаний, возбуждаемые в кварцевых элементах………………31
4.4.1Продольные колебания………………………………………….31
4.4.2 Колебания изгиба………………………………………………..32
4.4.3 Крутильные колебания………………………………………….33
4.5Применение кристаллов кварца…………………………………………35
4.5.1Стабилизация генераторов……………………………………...35
4.5.2 Частотные фильтры……………………………………………..36
5Промышленное производство пьезокварца……………………………………..37
6Программные комплексы для кристаллографического анализа
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………….........………………………………………………….40
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………………….43

Весь текст будет доступен после покупки

Современное состояние научно-технического прогресса характеризуется высокими темпами развития вычислительной техники и электронных цифровых устройств. Важную роль в проектировании и создании широкого спектра механизмов и приборов играют пьезоэлементы. Принцип их работы основан на явлении пьезоэлектричества – способности некоторых природных и искусственных кристаллов создавать на своих поверхностях разность потенциалов под действием внешних механических воздействий – сжатие или растяжение вдоль определённой оси кристалла. Явление пьезоэлектрического эффекта было открыто в 1880 году Пьером и Жаком Кюри. В число природных монокристаллов, обладающих способностью к пьезоэлектричеству, входят такие минералы, как кварц (SiO2), турмалин Na(Li,Al)3Al6[(OH)4|(BO3)3Si6O18], сегнетова соль C4H4KNaO6·4(H2O), титанат бария BaTiO3, цинковая обманка ZnS и другие.
Отличительным свойством пьезоэлектриков, с точки зрения кристаллографии, является то, что в их элементарных ячейках отсутствует центр симметрии. Это обусловлено самой природой указанного эффекта – в случае наличия у кристалла центра симметрии, все внешние воздействия будут распространяться равномерно по всему объёму тела, а не вдоль определённой оси.
Кроме описанного прямого пьезоэлектрического эффекта, данные материалы обладают и обратным пьезоэлектрическим эффектом – изменение линейных размеров тела под действием внешнего электрического поля. Такие необычные свойства данных материалов стали причиной того, что элементы, произведенные из пьезокристаллов, главным образом искусственного происхождения, заняли важное положение в современной радиотехнике. Внедрение пьезоэлементов позволило значительно расширить области применения достижений науки и техники. Все виды исследовательских систем, основанных на эффекте эхолокации с использованием ультразвуковых волн, имеют в качестве главных элементов пьезоэлектрические генераторы волн и датчики отражённых волн.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Исторический очерк пьезоэлектрических кристаллов

Пьезоэлектрический эффект был обнаружен экспериментально в 1880 г. братьями Пьером и Жаком Кюри. Они нашли, что при помещении груза на поверхность кристалла на ней появлялись электрические заряды. Эти заряды, измерявшиеся электрометром, оказались пропорциональными приложенной нагрузке. Так был открыт прямой пьезоэлектрический эффект. Братья Кюри обнаружили существование этого эффекта на значительном числе кристаллов, включая кварц, сегнетову соль и турмалин, которые употребляются и в настоящее время чаще всего. Существование обратного пьезоэлектрического эффекта, состоящего в возникновении механических напряжений и упругих деформаций под действием приложенного электрического напряжения, было теоретически предсказано Липпманом в 1881 г. и затем экспериментально подтверждено братьями Кюри. Среди первых исследователей пьезоэффекта следует назвать Кельвина, предложившего молекулярную теорию и механическую модель для объяснения пьезоэффекта, Поккельса, определившего пьезоэлектрические постоянные ряда веществ и во многом развившего теорию электрооптического эффекта в кристаллах, Дюгема, чьи формулировки принципов пьезоэлектрических явлений имели фундаментальное значение, и, наконец, Фохта, который систематизировал работу своих предшественников и в своем фундаментальном учебнике кристаллофизики собрал и обобщил большую часть того, что было известно о пьезоэлектричестве до первой мировой войны.
Связь пьезоэлектричества с атомной структурой кристаллов установлена лишь в общих чертах. Теория, могущая предсказать величину пьезоэлектрических констант и связать эти константы с химическим строением кристаллов, находится еще в зачаточном состоянии. Наиболее существенный вклад в этом направлении внесли Р. Е. Гиббс и М. Борн, вычислившие теоретически величины пьезоэлектрических постоянных для кварца и цинковой обманки. Вычисленные величины отличаются от экспериментальных значений не более чем в 10 раз .
До первой мировой войны пьезоэлектрический эффект оставался только более или менее любопытным научным фактом. Во время войны французское правительство предложило П. Ланжевену изыскать способы обнаружения подводных лодок. После испытания ряда средств он, наконец, нашел, что для этой цели могут быть использованы пьезоэлектрические свойства кристаллов кварца. Главную роль в его приборе играл излучатель, состоящий из нескольких пластинок кварца, смонтированных в форме мозаики между стальными пластинами. При наложении переменной разности потенциалов кварцевая мозаика начинала вибрировать, излучая в воду продольные ультразвуковые волны, И обратно, волны, падающие на такую систему, заставляли мозаику вибрировать и возбуждали в ней переменную э. д. е., которую можно было обнаружить с помощью лампового усилителя. Ланжевен усовершенствовал свое изобретение лишь после первой мировой войны, однако еще во время войны прибор Ланжевена употреблялся в качестве эхолота. Во время второй мировой войны аналогичные устройства уже широко использовались для обнаружения подводных лодок.
В 1917 г. Никольсон сконструировал ряд громкоговорителей, микрофонов и звукоснимателей, использовав для этой цели пьезоэлектрические свойства сегнетовой соли. Ему же принадлежит первый патент на изобретение стабилизируемого кристаллом генератора (в качестве стабилизатора использовалась сегнетова соль). В 1921 г. Кэди показал, что кристаллы кварца могут быть использованы в качестве кристаллических стабилизаторов, гораздо более устойчивых в работе, чем стабилизаторы с сегнетовой солью. Это было началом чрезвычайно широкого употребления пьезокристаллов для контроля частот, особенно в приборах военной связи. Генераторы с кварцевыми пластинками GT-среза, описанного в гл. VI, обеспечивают получение наиболее стабильных по частоте колебаний и служат лучшими стандартами времени из всех, какие могут быть получены в настоящее время.
Пьезоэлектрические кристаллы также широко используются в схемах фильтров с высокой избирательностью. Такие кристаллы обладают очень большим значением добротности Q, и поэтому особым образом вырезанные кристаллические пластинки могут быть включены в цепь совместно с индуктивностями и емкостями для получения фильтров с чрезвычайно высокой избирательностью. Такие фильтры употребляются в системах с высокочастотной несущей и в коаксиальных системах для разделения нескольких одновременных телефонных переговоров, передающихся по одной паре проводов. Для этих целей первоначально употреблялся кварц, но новое искусственное соединение - этилендиаминтартрат (EDT), кристаллы которого обладают достаточно низкими температурными коэффициентами частоты и достаточно высокой стабильностью, может создать конкуренцию кварцу в сфере конструирования и производства радиоэлементов.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Мэзон, У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применение // Москва. – 1952. - 453с.
2 Кэнди, У. Пьезоэлектричество и его практические применения // Москва: Иностранная литература. – 1949.
3 Шубников, А.В. Основы кристаллографии // Москва-Ленинград. – 1940.
4 Блистанов, А. А. Акустические кристаллы // Москва. – 1982. - 633с.
5 Панич, А. А. Кристаллические и керамические пьезоэлектрики / А. А. Панич, М. А. Мараховский // Ростов-на-Дону: Изд-во Ростов. ун-та. – 2014.

Весь текст будет доступен после покупки