27.12.2020

Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства кварца


Пьезоэлектрические свойства. В случае приложения к кристаллу кварца механического давления на его поверхности возникают электрические заряды. С другой стороны, приложение электрического поля к кристаллу вызывает в нем аналогичные механические колебания. Сжатие кристалла вдоль оси а приводит к возникновению отрицательного заряда на том конце оси, где кристалл венчается гранями х и s, и положительного заряда на противоположном конце оси. При растяжении кристалла в этом направлении знаки заряда меняются на обратные. Сжатие в направлении, перпендикулярном грани призмы {1010}, приводит к появлению на концах оси а таких же зарядов, как и при растяжении вдоль этой оси; растяжение перпендикулярно грани призмы {1010} приводит к противоположному распределению зарядов. Пьезоэлектрический эффект проявляется также и при надлежащим образом ориентированном изгибе или скручивании кристалла кварца. Однако при приложении механического или электрического напряжения вдоль оси с (теоретически и при воздействии гидростатического давления) пьезоэлектрический эффект не проявляется

Пьезоэлектрические свойства и упругость кварца обычно описываются относительно прямоугольной системы координат XYZ, в которой X совпадает с осью а (положительный конец обращен вперед и соответствует знаку заряда, возникающему в направлении этой оси при растяжении), Z совпадает с осью с, а У перпендикулярна X и Z и совпадает с направлением [1010]. До настоящего времени большинство авторов использовали правостороннюю систему координат как для право-, так и для левостороннего кварца, причем ось +Y в этой системе была направлена вправо. Такая практика требовала изменения знака всех пьезоэлектрических констант при переходе от правого к левому кристаллу. В настоящее время принято использовать правостороннюю систему координат для правого кварца и левостороннюю с + Y. направленным влево, для левого кварца. Углы вращения в этой системе координат имеют положительные значения при повороте от +X до +Y, от +Y до +Z и от +Z до +А независимо от энантиоморфизма кварца. Иногда оси X и У соответственно называют электрической и механической.

Пьезоэлектрические свойства кварца широко используются при стабилизации частоты электромагнитных колебаний в электронных схемах. Дисковидной или прямоугольной пластинке вырезанной в определенной ориентировке из кристалла кварца придаются такие размеры, чтобы частота ее механических колебаний совпадала с частотой электрических колебаний в схеме. Такая пластинка стабилизирует частоту возникающего в схеме переменного электромагнитного поля посредством непрямого пьезоэлектрического эффекта, т. е. путем воздействия механических колебаний пластинки кварца с постоянной частотой на частоту электромагнитных колебаний в схеме. Для кварцевой пластинки подбирается такая ориентировка, которая обеспечивает взаимную компенсацию термических коэффициентов нескольких упругих констант, играющих определенную роль при данном характере колебаний, благодаря чему резонансная частота остается постоянной в относительно широком интервале температур.

Ниже приводятся значения пьезоэлектрических и упругих констант кварца при комнатной температуре.

Константы пьезоэлектрической напряженности (статический метод):
Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства кварца

Константы пьезоэлектрического давления (вычисленные по константам напряженности и приводимым ниже упругим константам):

Значение модулей Юнга Y=1/s'33 для некоторого направления Z' в кристалле кварца можно выразить следующим образом: s'33*10в12 = 1269—841 cos20 + 543 cos40—862 sin30 — 862 sin30 cosO sin3ф, где в прямоугольной системе координат XYZ, охарактеризованной выше, 0 — угол между Z' к z, имеющий положительную величину при повороте от +Z в направлении к+X' а ф — угол между X' и +Х, имеющий положительную величину при отсчете в направлении +Y4.

Пьезокварцевые пластинки. Наибольшее применение кристаллы кварца нашли в производстве пьезокварцевых (осцилляторных) пластинок. В течение 1939—1945 гг., когда существовала огромная потребность в кварце для использования его в военных радио- и других приборах, из Бразилии, главным образом в США, было экспортировано 21 млн. фунтов кристаллов кварца. Значительная часть этого материала была представлена ограненными (идиоморфными) кристаллами весом свыше 150 г. Для изготовления пьезокварцевых пластинок пригодны лишь такие части кристаллов, которые не имеют двойников, трещин, включений и других дефектов, В течение упомянутого периода в США было изготовлено свыше 80 млн. пьезокварцевых пластинок общей стоимостью около 0,5 млрд. долларов. В значительных количествах пьезокварцевые пластинки производились также в других странах. Острая потребность в незамедлительном производстве большого количества пьезокварцевых пластинок и низкий уровень кристаллографических знаний, характерные для военного периода, привели к возникновению ужасающего количества отбросов кристаллосырья. Большая часть использованных кристаллов кварца была ввезена из Бразилии; добыча пьезокварца в самих США незначительна. Естественные кристаллы кварца с размерами и качеством, удовлетворяющими требованиям, предъявляемым к пьезокварцевым пластинкам и оптическому кварцу, распространены в природе ограниченно, и ресурсы пьезокварца быстро истощаются. В настоящее время потребность в пьезокварце частично удовлетворяется за счет искусственных кристаллов кварца.

Некоторые типы пьезокварцевых пластинок вырезаются перпендикулярно осям X или Y, но другие, в том числе наиболее высокочастотные, имеют более общую ориентировку. Многие типы высокочастотных пластинок, используемых в радиотехнике, имеют прямоугольную форму, и одно ребро у них ориентировано параллельно оси X, а другое (Z') наклонено под определенным углом в направлении (+) или (—) по отношению к оси с (или оси Z). Два наиболее часто используемых среза AT и ВТ наклонены соответственно под углами +35°15' и -19°20'. Для правильного определения ориентировки среза к общем необходимо знать характер энантноморфизма кристалла п направление оси X. Энантиоморфизм и полярность можно определить порознь с использованием иммерсионной коноскопии и электрометра или одновременно по характеру фигур травления поверхностей, ориентированных должным образом. При ориентировке пластинки углы наклона должны определяться с большой точностью, и, если при выпиливании пластинок необходима точность в углах более чем 10', приходится прибегать к гониометрическому контролю рентгеновскими методами.

Чтобы получить ориентированные пластинки пьезокварца, используется ряд различных схем. На фиг. 75 и 76 показаны две схемы разделки относительно крупных кристаллов кварца.

Пироэлектрические свойства. Электрические заряды на поверхности кристаллов кварца возникают и в результате изменения температуры. Этот эффект обусловлен внутренними натяжениями, вызванными возникновением термических градиентов внутри кристаллов, и имеет пьезоэлектрическое происхождение. Хотя это свойство обычно называют пироэлектрическим, по существу оно не связано прямо с пироэлектрическим эффектом. Знак и распределение зарядов на поверхности кристаллов можно выявить путем опыления кристалла заряженными порошковатыми частицами. По методике Кундта в этих целях используется смесь красного свинца (+) и серы (—), а в закрытых сосудах можно применять дым магнезии, получаемый при сжигании здесь металлического магния. При охлаждении кристалла на его поверхности возникают заряды того же знака, как и у пьезоэлектрических зарядов, вызванных сжатием кристалла в том же направлении. В несдвойникованных кристаллах независимо от характера их энантноморфизма ребра призмы, к которым примыкают грани s и х, приобретают отрицательный заряд, а перемежающиеся с ними ребро — положительный. При нагревании кристалла пироэлектрический эффект имеет обратный характер. Изучая пироэлектрические свойства методом порошка, необходимо вначале добиться полного отсутствия заряда на поверхности кристалла, затем следует охлаждать кристалл равномерно со всех сторон и только после этого проводить испытание. Заряды, возникающие при охлаждении, обусловлены градиентом, связанным с меньшей температурой внешних частей кристаллов по сравнению с внутренними, что соответствует их сжатию. По распределению зарядов можно также выявлять особенности морфологии двойников. Однако обычно ориентировка кварца гораздо хуже выявляется методами, основанными па пироэлектрическом эффекте, чем при помощи травления.

Впервые пироэлектрический эффект у кварца и других минералов наблюдался Брюстером (1824 г.). Позднее Ж. Кюри и П. Кюри (1880 г.) установили, что электрические заряду па поверхности кристаллов кварца могут возникать при постоянной температуре в результате приложения одного лишь давления. Это явление было названо пьезоэлектрическим эффектом, а появление электрических зарядов в связи с изменением температуры объяснялось механическими натяжениями. В отличие от большинства металлов у кварца обнаруживается положительный трибоэлектрический эффект. После нагревания до температуры выше 350° при давлении 10в-4 мм у кристаллов кварца появляется отрицательный заряд.





Яндекс.Метрика