Пироэлектрические материалы

Большой практический интерес представляет использование пироэлектрического эффекта для индикации пространственного распределения излучения в системах тепловидения. В частности, были разработаны пироэлектрические видиконы – теплопередающие телевизионные трубки с пироэлектрическим диском (рис. 3). Изображение объекта проецируется с внешней стороны через окно 5 на диск 1 в виде тонкой (10-100 мкм) пироэлектрической пластины, а с внутренней стороны направляется на сканирующий электронный луч 2.

Содержание

Пироэлектрические материалы (пироэлектрики) – это кристаллические диэлектрические материалы, которые проявляют пироэлектрический эффект. Этот эффект сменяется электрокалорическим эффектом. Таким образом, пироэлектрические материалы также являются электрокалорическими.

Пироэлектрический эффект (пироэлектрический эффект, пироэлектричество) – это явление, связанное с образованием электрического поля в кристаллических диэлектрических материалах при изменении их температуры. Это явление было известно и описано еще со времен древнегреческих ученых. Его природа была объяснена в 1756 году русским физиком Ф. У. Т. Эпинусом.

Механизм пироэлектрического эффекта связан с особым проявлением электрической поляризации в пироэлектриках – состояния, характеризующегося наличием электрического дипольного момента в каждом элементе объема диэлектрика. Обычные диэлектрики могут поляризоваться только во внешнем электрическом поле. В отличие от них, пироэлектрики имеют важную особенность: они демонстрируют электрическую поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Существование такой спонтанной (самоорганизованной) электрической поляризации приводит к появлению связанного электрического поверхностного заряда на поверхности пироэлектрического кристалла и индуцированного им электрического поля. Учитывая указанную специфику пироэлектриков, можно дать следующее определение пироэлектрического эффекта, отражающее его физическую сущность: пироэлектрический эффект – это изменение спонтанной поляризации кристалла диэлектрика под влиянием изменения его температуры, которое может быть описано уравнением ∆P = γ∆T, где γ – пироэлектрический коэффициент, зависящий от природы кристалла и температуры, причем температурная зависимость γ может быть различной для разных пироэлектриков.

Если пироэлектрический кристалл долгое время находится при постоянной температуре, то в нем невозможно обнаружить спонтанную поляризацию, поскольку заряды, связанные на поверхности, компенсируются свободными зарядами, обусловленными собственной проводимостью кристалла (ничтожно малой) и зарядами, поступающими из окружающей среды (ионы воздуха) (рис. 1, а). При изменении температуры кристалла расстояния и углы между атомами (ионами) изменяются анизотропно. Вследствие этого спонтанная поляризация внутри кристалла изменяется, и на поверхностях кристалла, перпендикулярных определенному направлению, называемому полярной осью, появляются нескомпенсированные электрические заряды (рис. 3, б), а связанное с ними электрическое поле уменьшается со скоростью, зависящей от притока (или оттока) свободных зарядов. Полярная ось в кристалле возникает в результате асимметричного расположения атомов (ионов) в кристаллической решетке (несовместимость центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в элементарной ячейке).

Рис. 1. Генерация заряда ∆Q_s при изменении температуры пироэлектрического элемента: a – электрическое состояние пироэлектрического образца 1, покрытого металлическими электродами 2 с внешними выводами 3 после длительной выдержки при температуре T₁длительное время нахождения при температуре T; b – электрическое состояние образца непосредственно после изменения температуры на ∆T = T₂ – Т₁. Некомпенсированный связанный заряд ∆Q_s приводит к появлению свободного заряда той же величины и знака на внешних проводниках. Между контактами возникает разность потенциалов U, по которой определяется пироскоп; C – электрическая емкость образца; S – грань образца, перпендикулярная полярной оси

Наблюдению пироэлектрического эффекта мешает проводимость кристалла. Более того, каждый пироэлектрик также является пьезоэлектриком. Поэтому изменение температуры пироэлектрического кристалла, особенно неоднородной, вызывает деформацию кристалла, приводящую к пьезоэлектрической поляризации, которая добавляется к поляризации, вызванной пироэлектрическим эффектом.

Типичные пироэлектрики включают турмалин, сахарозу, моногидрат сульфата лития и т.д. Среди пироэлектриков особенно выделяются сегнетоэлектрики, так как они имеют довольно высокий пироэлектрический коэффициент. Однако спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках может наблюдаться только в определенном диапазоне температур, ограниченном температурой фазового перехода сегнетоэлектриков, температурой Кюри T_K (с ростом температуры спонтанная поляризация уменьшается и исчезает в точке фазового перехода T_к).

Для достижения высоких пироэлектрических свойств ферроэлектрического кристалла его поляризация должна быть однородной, а сам кристалл – монодоменным. Для достижения монодоменного состояния в матрицу ферроэлектрика вводятся полярные дефекты (примеси), создающие внутреннее поле сдвига, которое постоянно поляризует кристалл. Например, такими примесями в кристаллах сульфата триглицина являются полярные молекулы L-аланина. В сегнетоэлектриках с высокой температурой Кюри (ниобат лития LiNbO₃, T_C = 1000 °C; танталат лития LiTaO₃, T_C = 665 °C и т.д.) монодоменное состояние может быть получено путем охлаждения кристалла в электрическом поле через точку Кюри до комнатной температуры. Монодоменное состояние также может быть сформировано непосредственно во время роста кристалла.

На практике керамические ферроэлектрики на основе твердых растворов титаната и цирконата свинца (PbTiO₃-PbZrO₃) с различными добавками. Керамические образцы, охлажденные в электрическом поле, проходящем через точку Кюри, сохраняют достаточно высокую остаточную электрическую поляризацию, что позволяет эффективно использовать их в качестве пироэлектрических элементов.

Полярные мембранные полимеры, такие как поливинилиденфторид, также являются важной группой пироматериалов для практического применения. После специальной обработки (механическое растяжение, охлаждение в электрическом поле) эти полимерные пленки приобретают спонтанную поляризацию и пироэлектрический эффект.

Пироэлектрики широко используются в качестве датчиков в различных приложениях, детекторов и приемников излучения, а также датчиков в термометрических устройствах (рис. 2). Эти устройства используют фундаментальное свойство пироэлектриков: любой тип излучения, попадающий на пироэлектрический образец, вызывает изменение его температуры и соответствующее изменение поляризации. Для плоскопараллельного образца с поверхностью S и направлением спонтанной поляризации P₀перпендикулярно этой поверхности (рис. 6), нагрев на небольшую величину dT приводит к изменению заряда, связанного с поверхностью, на dq i

Если S-поверхность покрыта проводящими электродами и эти электроды соединены проводником, то через них течет ток

Рисунок 2. Пироэлектрический детектор излучения

Поэтому на входе такого преобразователя имеется поток излучения, который вызывает изменение температуры образца, а на выходе – электрический ток или заряд, который изменяется с изменением температуры. Особенно перспективными являются применения пироэлектрических приемников в инфракрасном диапазоне, которые практически решают проблему обнаружения маломощных тепловых потоков; измерения формы и мощности коротких импульсов лазерного излучения; чувствительного контактного и бесконтактного измерения температуры (чувствительность пироэлектрических термометров достигает 10 -6 К).

Пироэлектрический эффект имеет большое практическое значение как индикатор пространственного распределения излучения в системах инфракрасной визуализации. В частности, был разработан пироэлектрический видикон – телевизионная передающая трубка с пироэлектрической мишенью (рис. 3). С внешней стороны изображение мишени проецируется через окно 5 на мишень 1 в виде тонкой (10-100 мкм) пироэлектрической пластины, а с внутренней стороны направляется на считывающий электронный луч 2.

Рисунок 3. Схема пироэлектрического видикона: 1 – пироэлектрическая мишень; 2 – электронный пучок; 3 – катод; 4 – ускоряющий анод; 5 – окно; 6 – коллекторная сетка; 7 – фокусирующие и отклоняющие катушки

Изображение объекта формируется под воздействием температуры и соответствующего заряда и потенциального рельефа на мишени. Этот рельеф модулирует ток, протекающий в цепи сопротивления нагрузки, когда электронный луч сканирует мишень. Напряжение, создаваемое током, управляет яркостью луча, который воспроизводит изображение на телевизионном мониторе.

Пьезоэлектрическая теория пироэлектричества. Кюри, Рике, Рентген и Фойхт высказали следующие соображения: поскольку электризация кристалла при сжатии всегда имеет тот же знак, что и электризация кристалла при охлаждении, а охлаждение сопровождается уменьшением объема, то, возможно, именно эта деформация является причиной выделения электричества.

ЭСБЕ/Пьезо и пироэлектричество

Пьезо- и пироэлектричество – I. Пироэлектричество это свойство, присущее многим кристаллам, электризоваться при изменении температуры. Разные минералы электризуются по-разному: некоторые минералы электризуются только с одним знаком (пирит), другие – с разными знаками на разных геометрических элементах одного и того же кристалла, например, топаз электризуется положительно на брахигональных гранях и отрицательно на макродиогональных. Пироэлектричество гемиморфных кристаллов (см. гемиморфизм) является наиболее изученным; они развивают электричество разных знаков на противоположных концах гемиморфных осей. Пироэлектрические свойства турмалина были впервые обнаружены и изучены, а в начале нынешнего века благодаря Кантону, Бергману, Гаюи и А. Беккерель сформулировал следующие законы: если турмалин долгое время находится при постоянной температуре, то в нем нельзя обнаружить никаких следов электричества; если же турмалин нагреть, то во время нагрева (изменения температуры) он заряжается электричеством, и на двух концах главной оси появляется противоположное электричество. Конец оси, который при нагревании создает положительный электрический заряд, называется как столби противоположный конец антилогический полюс. Если температура снова становится постоянной, какой бы высокой она ни была, электрический разряд прекращается; но как только кристалл турмалина начинает остывать, он снова электризуется, причем аналогичный полюс становится отрицательным, а антилогичный – положительным. Пироэлектрическими свойствами обладают не только целые кристаллы, но и фрагменты турмалина. Подобные явления наблюдаются и в других гемиморфных минералах. Gaughan (1856) обнаружил, что общее количество электричества, выделяемое пироэлектрическим турмалином, зависит от площади его поперечного сечения и от пределов изменения температуры; длина кристалла (вдоль его главной оси) и скорость изменения температуры не влияют на количество выделяемого электричества; если пределы температуры равны, то количество электричества, вырабатываемого на одном и том же кристалле при нагревании и при охлаждении, одинаково. Каждый минерал способен развивать электричество только в определенных температурных пределах, например, турмалин становится проводником электричества и теряет свои пироэлектрические свойства, когда его температура превышает 150°. Рике и Фохт (1892) рассчитали, что при изменении температуры на 100° C электрическое напряжение, испускаемое турмалином, составляет 165 электростатических единиц. С. Г. С. (см. абсолютные единицы). Направление в кристалле, соединяющее два пироэлектрических полюса, называется пироэлектрическая ось. Количество осей в различных минералах различно и связано со степенью геометрической симметрии кристалла; например, кристаллы кубической системы имеют четыре тройные пироэлектрические оси, в то время как кристаллы ромбической системы имеют только одну двойную ось. Для изучения распределения пироэлектричества до недавнего времени использовались электрометры: Рисс, Розе и Ханкель подсоединили один конец платиновой проволоки к точке кристалла, которую нужно было нагреть или охладить, а другой конец – к электрометру; Фридель подсоединил к электрометру маленькую металлическую полусферу, нагрел ее до определенной температуры и приложил к холодному кристаллу. Кундт (1883) предложил метод, с помощью которого можно сразу увидеть распределение пироэлектричества в кристалле. Он нагревает рассматриваемый кристалл, быстро пропускает его через пламя, а затем, когда кристалл начинает равномерно остывать, посыпает его из маленьких метелок порошком, состоящим из серы и сурика, причем сера (желтого цвета) помещается на части с положительным электричеством, а сурик (красного цвета) – на части с отрицательным электричеством. [1] Изучая рисунок, полученный на поверхности кристалла, можно сразу увидеть расположение пироэлектрических осей. Следует отметить, что на распределение пироэлектричества влияет не только молекулярная структура данного кристалла, но и его внешняя форма, так как она влияет на распределение температуры при охлаждении. Чтобы устранить этот эффект, исследуемые кристаллы сгибают в сферы, что позволяет изучить распределение пироэлектричества.

II. П.-электричество Свойство пироэлектрических кристаллов электризоваться при сжатии или расширении. П.- Электричество было открыто Ж. и П. Кюри в 1880 году. Кристалл – это пироэлектрический кристалл (турмалин, каламин, сахар, винная кислота и т.д.). Если гемиморфный кристалл сжат вдоль своей пироэлектрической оси и величина этого сжатия все время меняется, то на двух концах оси генерируется электричество противоположных знаков. После разряда, когда кристалл начнет расширяться, электричество будет вырабатываться снова, за исключением того, что конец кристалла, который был положительно заряжен во время сжатия, теперь заряжен отрицательно, и наоборот. П.-электричество развивается в каждом минерале в тех же направлениях, что и пироэлектричество, и не проявляется в других направлениях; знак развивающегося электричества всегда один и тот же при сжатии и при расширении, как и при нагревании. Однако Ханкель утверждает, что струвит и тартрат калия являются исключением из этого правила. Измерения Кюри (турмалин, кварц) приводят к следующим выводам: количество электричества, выделяемого при однородной деформации на двух концах пироэлектрической оси, одинаково и имеет противоположный знак; количество электричества пропорционально изменению давления; при одном и том же изменении давления количество электричества будет зависеть от размера кристалла только в том случае, если давление осуществляется не вдоль пироэлектрической оси, а перпендикулярно ей; в этом случае количество выделяемого электричества будет пропорционально а:bгде а длина кристалла вдоль оси пироэлектрика, b – это расширение кристалла вдоль направления, в котором кристалл сжимается (перпендикулярно оси пироэлектрика) Кюри заявил, что количество электричества, выделяемое турмалином при давлении 1 кг = 0,0531 электростатической единицы С. Г. С. для турмалина и 0,063 для кварца. Кюри использовала P.-электрические свойства кварца в прецизионном приборе, испускающем определенное количество тока по желанию экспериментатора. Липман (1881), исходя из чисто теоретических соображений, показал, что деформация и электризация кристалла – явления обратимые, т.е. если определенное давление вызывает определенное распределение электричества в кристалле, то, наоборот, определенное распределение электричества должно вызвать определенную деформацию кристалла. Кюри доказал это положение прямыми измерениями, а Кундт и Рентген (1883) показали, что кварцевые интерференционные кольца меняют форму на эллиптическую в электрическом поле; это явление можно объяснить только тем, что на данную кварцевую пластинку оказывается давление, перпендикулярное оптической оси.

Теория пьезоэлектричества. Кюри и Рике предположили, что разнородные атомы в кристаллической молекуле заряжены электричеством противоположных знаков; если группировка этих атомов в молекуле не симметрична, то каждый единичный объем находится в состоянии поляризации, и это состояние должно меняться всякий раз, когда любая деформация вызывает изменение числа или расположения молекул, содержащихся в единичном объеме.

Пьезоэлектрическая теория пироэлектричества. Кюри, Рике, Рентген и Фойхт высказали следующие соображения: поскольку электризация, возникающая при сжатии кристалла, всегда имеет тот же знак, что и электризация, возникающая при охлаждении, а охлаждение сопровождается уменьшением объема, возможно, именно эта деформация является причиной разряда электричества.

Термоэлектрическая теория пироэлектричества. Еще в 1865 году Гаун сравнил молекулы турмалина с термоэлектрическими элементами, а именно с конусами из висмута и сурьмы, последовательно спаянными у основания и вершин. При общем и равномерном нагреве такой конструкции конусные соединения будут нагреваться быстрее, чем базовые, и поэтому будут созданы условия для возникновения электродвижущих сил, величина которых будет зависеть только от начальной и конечной температур и от площади поперечного сечения конструкции. Другие ученые придают этой теории несколько иную форму. Кристалл, который нагревается или охлаждается, не может иметь равномерную температуру по всей своей массе, поэтому всегда возникают термоэлектрические силы, возникающие в результате контакта по-разному нагретых атомов или молекул. Образование электродвижущей силы при неоднородной температуре было доказано, во всяком случае, работами В. Томсона. В кристаллах с центром симметрии величина этих сил между двумя точками зависит только от температуры этих точек. Распределение температуры при нагревании определяется формой тела, поэтому и электродвижущие силы, и вырабатываемая ими электрическая энергия в этом случае будут симметричны. В кристаллах без центра симметрии электродвижущая сила между двумя точками зависит не только от температуры, но и от направления снижения температуры, поэтому в этом случае на обоих концах кристалла может возникнуть неодинаковая электризация или даже разные знаки. Однако все эти теории решительно противоположны.

Литература. Общие работы: Groth, “Physikalische Krystallographie” (есть русский перевод, 1896); Liebisch, “Physikalische Krystallographie” (1891); Ch. Soret, “Eléments de Cristallographie physique”. (1893); Mallard, “Cristallographie. Специальные работы и СтатьиКантон, “Gentleman’s Mag. (1759); Майнер, “Abh. Швед. акад.”. (1768, XXVIII); Haüy, “Traité de minéralogie” (1801, I, 236; III, 43); A. C. Becquerel, “Ann. de Chim.” (1828, XXXVII); Hankel, “Pogg.” (1828, XXXVII). Энн”. (1840, 1) и “Abhandl. sächs. Gesel. d. Wissenschaft” (1866, 1870, 1871, 1872, 1878, 1879, 1881, 1882, 1887 и 1892); Гоген, “КР.” (1856, XLII, XLIII; 1857, XLIV); “Ann. de Chimie” (1859, LVII); A. Кундт, “Wied. Энн”. (1883, XX); G. Wiedemann, “Die Lehre des Elektricitat”; J. et P. Curie, “CR.”. (1880, XCI; 1881, XCII); Липпманн, “Ann. de Chim.”. (1881, XXIV); Röntgen. “Виид”. Энн”. (1883, XVIII; 1890, XXXIX); W. Фойгт, “Wied. Энн”. (1889, XXXVI).

Публикация Эпинуса вызвала острую полемику с участием Бенджамина Вильсона (1708?-1788), Музенбрека и Вильке, которые подвергли сомнению результаты экспериментов Эпинуса, главным образом потому, что их нельзя было повторить с той точностью, с которой сам Эпинус ставил свои эксперименты (подобные эксперименты и сейчас требуют тщательной постановки, если только не прибегать к электроскопическому порошку). Этой полемике положил конец Джон Кантон (1718-1772), который в прекрасном докладе, прочитанном в Королевском обществе в 1759 году, не только подтвердил результаты Эпинуса, но и, более того, установил, что электризация также достигается за счет охлаждения. В следующем, 1760 году Кантон обнаружил, что свойство турмалина присутствует и в бразильском топазе, а Уилсон нашел его и в других драгоценных камнях. В 1762 году Кантон также показал, что заряды, образующиеся при нагревании турмалина, равны по величине и противоположны по знаку. Он пришел к такому выводу, погрузив образец турмалина в металлическую посуду с кипящей водой, подключенную к электрометру; электрометр не обнаружил никакого заряда. Отметим, что электрометр Кантона, который он представил в 1753 году и в течение многих лет был одним из самых незаменимых инструментов, представлял собой модификацию первого электроскопа с пробковым шариком, описанного неизвестным автором, который опубликовал первую работу о “медицинском электричестве” в 1746 году. Электроскоп Кантона состоял из двух почти соприкасающихся пробковых шариков, подвешенных в небольшой коробке на двух льняных нитях.

Пироэлектричество

Турмалин, минерал с ромбоэдрическими кристаллами, довольно распространенный в Европе, был открыт только в 1717 году. Его авторство приписывается химику Луи Лемери (1677-1743), который описал его как особый камень с Цейлона, способный притягивать частицы света и поэтому названный Линнеем в 1747 году. “электрический камень” (lapis electricus). Никто не работал над ним до 1756 года, когда он попал в руки Эпинуса, который назвал его “турмалином” и начал изучать его особые свойства. Целая серия экспериментов, проведенных с замечательным мастерством, сразу же убедила Эпинуса в том, что странная способность турмалина связана с электричеством, но совершенно отличается от хорошо известного явления электризации трением. При нагревании турмалин электризуется, причем один его конец заряжается положительно, а другой – отрицательно.

Публикация Эпинуса вызвала бурную полемику с участием Бенджамина Вильсона (1708?-1788), Музенбрека и Вильке, которые подвергли сомнению результаты экспериментов Эпинуса, главным образом потому, что их нельзя было повторить с той точностью, с которой сам Эпинус ставил свои эксперименты (подобные эксперименты и сейчас требуют тщательной постановки, если только не прибегать к электроскопическому порошку). Этой полемике положил конец Джон Кантон (1718-1772), который в прекрасном докладе, прочитанном в Королевском обществе в 1759 году, не только подтвердил результаты Эпинуса, но и, более того, установил, что электризация достигается и при охлаждении. В следующем, 1760 году Кантон обнаружил, что свойство турмалина присутствует и в бразильском топазе, а Уилсон нашел его и в других драгоценных камнях. В 1762 году Кантон также показал, что заряды, образующиеся при нагревании турмалина, равны по величине и противоположны по знаку. Он пришел к такому выводу, погрузив образец турмалина в металлическую посуду с кипящей водой, подключенную к электрометру; электрометр не обнаружил никакого заряда. Отметим, что электрометр Кантона, который он ввел в эксплуатацию в 1753 году и в течение многих лет был одним из самых незаменимых приборов, представлял собой модификацию первого электроскопа с пробковым шариком, описанного неизвестным автором в 1746 году. опубликовал первую работу о “медицинском электричестве”. Электроскоп Кантона состоял из двух почти соприкасающихся пробковых шариков, подвешенных в небольшой коробке на двух льняных нитях.

Возвращаясь к свойствам турмалина, отметим, что минералог Рене Айюи (1743-1822) в своем учебнике физики 1802 года и последующих изданиях вплоть до 1821 года. Явление пироэлектрических кристаллов – это явление, которое было описано и представлено практически так же, как оно известно сегодня, за исключением теоретических вопросов, которые остаются нерешенными по сей день. Кроме того, Аюи сделал важное открытие, что пироэлектрические кристаллы могут электризоваться не только под воздействием тепла, но и под давлением, и на основе этого явления, которое позже было названо пьезоэлектричеством, он разработал чувствительный электроскоп. Пьезоэлектричество изучалось на протяжении 19 века и сейчас имеет множество технических применений.

Открытие пироэлектричества довольно точно датируется 1756 годом Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724-1802), который в 1757 году поселился в России, ставшей его второй родиной.

Если винт не откручивается

В заводских изделиях иногда используются винты с неглубокой канавкой в головке. Такие винты обычно не могут быть удалены во время разборки.

Обычно в таких случаях винт высверливают. Этот процесс сопровождается сильной вибрацией машины, что не всегда приемлемо. Поэтому может быть проще просверлить отверстия вокруг головки как можно ближе к ней и как можно ближе друг к другу, а затем вынуть болт.

При сборке узла, снятого таким образом, необходимо использовать широкие шайбы.

Еще до Великой Отечественной войны Е. I. Бадигину удалось внедрить кардолитотерапию в военных госпиталях. Благодаря использованию камня-целителя у пациентов быстрее заживали раны, улучшался состав крови, повышались напряжение и аппетит, нормализовался сон.

Какой из изученных минералов первым проявил пироэлектрические свойства?

Влияние драгоценных и полудрагоценных камней на человека известно с древних времен. Им приписывались магические свойства, в том числе влияние на здоровье, психическое, психологическое и эмоциональное благополучие. Существуют описания воздействия различных камней на болезни человека и их возможные способы лечения [1-6].

Тот факт, что минералы действительно обладают целебными свойствами, был научно подтвержден в экспериментальных исследованиях различными авторами, включая, например, Э. Гоникмана и С. Пусте[7].

Одним из первых достаточных техно-медицинских обоснований применения минералов было использование сердолика для лечения людей. Евгения Ивановна Бадигина в 1930-х годах первой установила эффект положительного влияния малых доз природного комплекса “радиоактивности” на живую клетку и на организм в целом[8,9].

Еще до Великой Отечественной войны Е.И. Бадигиной удалось внедрить кардиоликотерапию в военных госпиталях. Благодаря использованию целебного камня у пациентов быстрее заживали раны, улучшался состав крови, повышалось напряжение организма и аппетит, нормализовался сон.

Несмотря на положительное мнение видных ученых, таких как академики В. В 1948 году метод был запрещен как антинаучный, поскольку считался “полуплохим” Вернадским, П. Зелинским и Н. Бурденко.

В мае 1945 года партия устройств для подобной обработки была заказана у компании Siemens.

Это устройство представляло собой обычный фен с шариком-круассаном на выходе воздушного потока из сопла. Поток теплого воздуха доносил естественную эманацию (излучение) кораллового камня до больного места и тем самым способствовал быстрому заживлению[9]. С появлением антибиотиков этот простой метод лечения был забыт.

Сердоликовые предметы были найдены в гробнице Тутанхамона, а сердолик использовался для изготовления статуэток, кубков, печатей и прекрасных драгоценностей. Кольцо из этого камня носил Пушкин.

Это кристаллическая, непрозрачная разновидность диоксида кремния. Кристаллический диоксид кремния, горный хрусталь или кварц является пьезоэлектриком.

Пьезоэлектричество известно давно, но научные исследования пьезоэлектрического эффекта, а точнее его открытие, принадлежит братьям П. и Ж. Кюри, начатое в 1880 году.

Когда пьезоэлектрический материал подвергается механическому воздействию, на поверхностях пластин пьезоэлектрического материала возникает электрическое напряжение. Существует также обратный пьезоэлектрический эффект, когда механическое напряжение индуцируется электрическим полем.

Пьезоэлектрический кварц является стратегическим материалом; до 1960-х годов работы по нему были закрыты, поскольку он использовался в кварцевых резонаторах, фильтрах, линиях задержки и т.д. в оборонной и секретной продукции. В настоящее время пьезоэлектронные изделия имеют очень широкий спектр применения, поскольку индикация частоты и времени осуществляется наиболее экономичным, простым и недорогим способом. Российские ученые и инженеры внесли большой вклад в развитие пьезоэлектроники, включая разработку и производство синтетических пьезоэлектрических материалов, таких как кварц, соли сегнетовой кислоты, ниобат и танталат лития, пьезокерамика, лангасит, пьезоэлектрические пленки и т.д., и изделий из них [11-15].

Многие пьезоэлектрики, включая упомянутые выше, являются пироэлектриками. Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Пироэлектричество – это возникновение противоположных электрических зарядов на противоположных поверхностях некоторых диэлектриков, как кристаллических минералов, так и пьезокерамики и некоторых полимеров при нагревании или охлаждении[16]. О пироэлектрических материалах, физических свойствах и применениях можно прочитать, например, в [17].

Пироэлектрический эффект был впервые изучен Ф. Эпинусом (1756) после ввоза в Европу турмалина (цейлонского магнита). Он обнаружил, что при нагревании кристалла на его концах возникают электрические заряды противоположного знака, которые притягивают частицы золы. D. Брюстер ввел термин “пироэлектричество” в 1824 году. Кельвин связал пироэлектрический эффект с изменением электрической полярности в зависимости от температуры. T. Акерман изучил пироэлектрический эффект во многих кристаллах в широком диапазоне температур и обнаружил, что пироэлектрический эффект уменьшается с понижением температуры. Первая микроскопическая теория пироэлектричества была разработана С.А. Богуславский в 1915 году[18].

Далее было установлено, что пироэлектрический эффект вблизи фазового перехода может быть на один-два порядка больше в ферроэлектриках, чем в кристаллических пироэлектриках [19,20].

Уравнение пироэлектрического эффекта описывает увеличение спонтанной поляризации

ΔPs кристалла с изменением его температуры ΔT. В первом приближении величины ΔPs и ΔT линейно связаны между собой

где p – пироэлектрический коэффициент.

Зависимое от температуры изменение Ps может происходить по двум причинам. Во-первых, при изменении температуры свободный кристалл меняет свои размеры из-за эффекта теплового расширения: он сжимается или расширяется. В результате, даже если не произошло перестройки кристаллической структуры из-за изменения температуры, спонтанная поляризация кристалла изменится, поскольку изменится количество зарядов на единицу объема. Таким образом, в пироэлектрическом эффекте должна быть часть, обусловленная деформацией кристалла. Эта часть пироэлектрического эффекта рассматривается как пьезоэлектрическая. Пьезоэлектрическая часть пироэлектрического эффекта, вызванная деформацией, называется вторичным пироэлектрическим эффектом. Его коэффициент обычно обозначается как p”. А первичный, истинный пироэлектрический эффект описывается коэффициентом p’. В линейных пироэлектриках, таких как турмалин, истинный пироэлектрический эффект обычно мал и составляет 2-5% от общего эффекта [21]. Но в других пьезокристаллах и сегнетоэлектриках первичный пироэлектрический эффект может достигать 10% [19].

Уравнение пироэлектрического эффекта с учетом его разделения на первичный и вторичный эффекты имеет вид:

Все величины, кроме температуры T, являются векторами, т.е. изменяются в зависимости от кристаллографической ориентации кристалла.

Кристаллический кварц не является пироэлектриком, но индукция электрического поля при свободной деформации кристалла, вызванной тепловым расширением, реализуется через пьезоэлектрический эффект [21].

В линейных диэлектриках при комнатной температуре пироэлектрический коэффициент p обычно мало зависит от температуры. Абсолютное значение p близко к одной электростатической единице. Для турмалина, например, общий пироэлектрический коэффициент составляет – 1,3 единицы. HSCE.

Электрическое напряжение V, возникающее на пластине кристалла триглицинсульфата с площадью поверхности F=10X10 мм и толщиной d=1 мм, вырезанной перпендикулярно полярной оси, при резком изменении ее температуры на ΔT= 10K (пироэлектрическая постоянная TGC

p σ =45,0 нКл/см2 -К), его диэлектрическая проницаемость равна 30[21].

Аналогично для турмалина (ε=8.2, ?=1.3-10 -5 Кель/м 2 -К)

Для кварца с пластиной, срезанной перпендикулярно оптической оси (ε=4,0 ?=0,69-10 -5 нКл/м 2 -К).

Я сделал пригодный для использования угломер. Для этого я прикрепил две линейки с помощью винта и гайки.

Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства.

В Индии и на Цейлоне с древних времен было известно, что кристаллы турмалина, помещенные в горячую золу, сначала притягивали, а затем отталкивали частицы золы. В Европе об этом явлении стало известно в 1703 году, когда голландские торговцы привезли кристаллы турмалина с Цейлона. Карл Линней в 1747 году. дали турмалину его научное название – электрический камень (tapis elektricus). Позже это явление было названо пироэлектричеством. Он заключается в появлении электрических напряжений на гранях кристалла при его нагревании. Пьезоэлектрические свойства кристаллов были впервые обнаружены в 1880 году. Суть явления заключается в том, что если к поверхности таких кристаллов приложить электрическое напряжение, то кристаллы деформируются: сжимаются или растягиваются. И наоборот, если пьезокристалл сжимается или растягивается, на его поверхности возникает электрическое напряжение. Как правило, все пьезоэлектрические кристаллы являются пьезоэлектриками, но не все пьезоэлектрики обладают пироэлектрическими свойствами.

Среди заметных минералов основными пьезоэлектриками являются монокристаллы кварца и турмалина. Среди многочисленных кристаллографических модификаций кварца в качестве пьезоэлектрика чаще всего используется низкотемпературный кварц a, стабильный до 573°C.

Пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства кристаллов используются в технике уже много лет. Одно из применений пьезоэлектриков известно буквально всем. Это преобразователи звука в наших проигрывателях, которые преобразуют механические колебания иглы на пластинке проигрывателя в электрический ток, который затем усиливается и передается на динамик.

На аналогичной основе пьезоэлектрические свойства кристаллов используются в ультразвуковой гидроакустике, дефектоскопии, при изучении свойств газов, жидкостей и твердых тел, при измерении давлений и вибраций, при изготовлении стабилизаторов и радиочастотных фильтров. Было даже высказано предположение, что пьезокристалл может быть использован в качестве вспышки в фотографии. По замыслу и расчетам изобретателя, при механическом воздействии на кристалл высвобождается энергия, достаточная для того, чтобы зажечь электрическую лампочку.

Современные технические требования к пьезокристаллам очень высоки: кристалл должен иметь площадь не менее 12X12X1,5 мм без каких-либо дефектов, трещин, включений и т.д. Поскольку в природных кристаллах редко можно найти такие участки, искусственный кварц и другие минеральные кристаллы все чаще используются в технических приложениях.

Оптические свойства. Среди различных оптических свойств блестящих минералов в технике почти одинаково ценятся те, которые определяют их использование в ювелирном деле: прозрачность, двулучепреломление, поляризующие свойства и т.д.

Все знакомы с искусственным “горным солнцем”, аппаратом, который широко используется в медицине. Этот аппарат, будучи включенным, излучает удивительный свет – ультрафиолетовый. Лампа в приборе изготовлена не из обычного стекла, а из кварца, который, в отличие от обычного стекла, пропускает инфракрасную и особенно ультрафиолетовую часть светового спектра. Эти лучи действительно целебны и также загорают кожу человека. Применение кварцевой лампы не ограничивается медициной. Он используется в органической химии, минералогии и других областях для изучения веществ под ультрафиолетовым светом. Даже филателисты используют эту лампу для исследования марок: с ее помощью можно отличить поддельные марки от настоящих.

Кварц также используется в технике для других целей. Чистые безупречные кристаллы горного хрусталя используются в призмах, спектрографах и поляризационных пластинах.

Еще один хороший минерал для оптики – флюорит. Это чистый, прозрачный, бесцветный или слабоокрашенный кристалл. Их ценными свойствами являются изотропия, низкая дисперсия, низкий коэффициент преломления и, подобно горному хрусталю, высокое пропускание инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Флюорит используется для изготовления линз в телескопах и микроскопах, призм в спектрографах и других оптических приборах.

Но, пожалуй, самым важным применением замечательных оптических свойств минералов является изобретение лазера – оптического квантового генератора. Слово “лазер” является аббревиатурой английских слов Ughf усиление стимулированным испусканием излучения. Принцип работы лазера довольно сложен, энергия, которая создается при переходе атомов или электронов из одного энергетического состояния в другое, используется для получения электромагнитного излучения.

Первый шариковый лазер был создан в 1960 году. на рубине, в котором небольшая часть ионов Al3 была заменена ионами хрома. Этот лазер излучал яркий свет с длиной волны 694,3 нм. Рубиновый лазер использовался для точного определения (локализации) расстояния от Земли до Луны. Вводимая энергия не превышала мощность горения спички. Сегодня использование лазеров в технике становится все более широким. Они используются в исследованиях по физике плазмы, при хирургических операциях, в телевидении для съемки и передачи изображения, для сверления и сварки металлов и т.д. Хотя недавно были разработаны другие вещества, например, газовые или полупроводниковые лазеры, рубин остается одним из наиболее широко используемых материалов. Преимущества рубина заключаются в его исключительных механических свойствах, о которых мы упоминали ранее: твердость, жаропрочность и устойчивость в очень агрессивных средах. Другие кристаллические вещества, используемые в лазерах, включают иттрий-алюминиевые гранаты, флюорит и ряд других, в основном искусственных кристаллов.

На этих примерах мы могли бы завершить наш краткий рассказ об использовании минералов в технике. Однако области применения минералов все больше расширяются, и дальнейшее развитие науки будет продолжать открывать в них все новые и новые свойства. Рубиновые стекла в осветителях и приборах космических кораблей, оптические волокна из горного хрусталя, позволяющие почти мгновенно передавать огромные объемы информации с помощью лазерного луча, алмазы в качестве детекторов ядерного излучения – само сопоставление показывает, что эти замечательные минералы находятся на переднем крае науки и техники.

Рост потребления минералов не обеспечивается природными месторождениями, поэтому постоянно увеличивается синтез минералов и их искусственное производство на заводах.

Лабораторная работа № 1

Рост кристаллов

Оборудование: поваренная соль, дистиллированная вода, воронка, стеклянная палочка, вата, мензурка.

Существует два простых способа выращивания кристаллов из насыщенного раствора: охлаждение насыщенного раствора или его выпаривание. Первым шагом в любом из этих методов является приготовление насыщенного раствора. В условиях школьной лаборатории физики проще всего вырастить кристаллы алюмосиликатных квасцов.

Растворимость любого вещества зависит от температуры. В целом, растворимость увеличивается при повышении температуры и уменьшается при ее понижении.

При охлаждении насыщенного раствора при 40 °С. до 20 ° C. Это составит около 15 г избыточных квасцов на 100 г воды. При отсутствии центров кристаллизации вещество может оставаться в растворе, т.е. раствор будет пересыщенным.

С образованием центров кристаллизации избыток вещества выделяется из раствора, и при любой заданной температуре в растворе остается то количество вещества, которое соответствует коэффициенту растворимости при данной температуре. Чем больше центров кристаллизации в растворе, тем больше избыточного материала выпадает из раствора. Центрами кристаллизации могут быть загрязнения на стенках сосудов с раствором, частицы пыли или мелкие кристаллы квасцов. Если кристаллы оставить кристаллизоваться на один день, они становятся прозрачными и идеально сформированными. Они могут служить ядром для роста крупных кристаллов.

Для того чтобы вырастить крупный кристалл, затравочный кристалл добавляют в тщательно отфильтрованный насыщенный раствор, предварительно закрепленный на волоске или леске, предварительно обработанной спиртом.

Также возможно выращивание кристалла без затравочного материала. Для этого волосы или леску обрабатывают спиртом и погружают в раствор так, чтобы конец свободно свисал. Кристалл может начать расти на конце волоса или лески.

Если для выращивания подготовлен крупный затравочный кристалл, его лучше добавить в слегка подогретый раствор. Раствор, который был насыщенным при комнатной температуре, станет ненасыщенным при температуре на 3-5°C выше комнатной. Кристалл пятна начнет растворяться в нем, теряя при этом верхние, поврежденные и загрязненные слои. Это повысит прозрачность будущего кристалла. Когда температура вернется к комнатной, раствор снова насытится, и растворение кристаллов прекратится. Если мензурку с раствором накрыть, чтобы вода в растворе могла испаряться, раствор вскоре станет пересыщенным, и кристалл начнет расти. Во время роста кристаллов лучше всего держать стакан с раствором в теплом, сухом месте, где температура остается постоянной в течение ночи. Рост крупного кристалла может занять от нескольких дней до нескольких недель, в зависимости от условий эксперимента.

Порядок работы:

Я тщательно вымыл 2 мензурки и воронку и держал их над паром.

Я влил 100 г. Поместите дистиллированную воду в мензурку и нагрейте ее до 30 °C. Я приготовил насыщенный раствор соли и вылил его через ватный фильтр в чистую мензурку. Закройте мензурку крышкой. Я подождал, пока раствор остынет до комнатной температуры, и открыл мензурку. Через некоторое время кристаллы начали выпадать.

Через 24 часа я перелил раствор через хлопчатобумажный фильтр в чистую мензурку. Из множества кристаллов, оставшихся на дне первой мензурки, я выбрал самый чистый кристалл правильной формы. Я прикрепил цветной кристалл к нитке и подвесил его в растворе. Я поставил мензурку в теплое место.

Кристалл рос в течение 61 дня. Семена кристалла имели вытянутую, овальную форму. При помещении затравки в раствор рост кристалла не происходил, наоборот, он растворялся при повышении температуры на 3 – 9 0 С выше комнатной и раствор становился ненасыщенным, теряя верхние, поврежденные слои, что приводило к увеличению прозрачности будущего кристалла. Когда температура вернулась к комнатной, раствор снова стал насыщенным, и растворение кристалла прекратилось. Начался рост кристаллов. Испарение воды из раствора увеличивало скорость роста кристаллов.

На выступающих частях кристалла – вершинах и краях – находится больше материала, чем в центральных точках, поэтому вдоль поверхности также возникают градиенты концентрации (пересыщение). Пока размер кристалла мал, градиенты пересыщения также малы, кристалл обычно растет плоским. Это происходит потому, что скорость продвижения растущих слоев вдоль поверхности увеличивается по сравнению со скоростью образования новых слоев. Однако по мере роста кристалла градиенты пересыщения вдоль стенок увеличиваются, и кристалл растет по своей поверхности.

После этого рост кристалла соли проходил нормально.

По окончании периода роста я извлек кристалл соли из раствора, тщательно высушил его салфеткой и измерил его. Кристалл соли вырос до размера, в три раза превышающего первоначальный размер инокулята. В этот момент рост кристалла соли был завершен.

Выращенный кристалл имеет пирамидальную форму с небольшими отклонениями. Грани кристалла ровные, прямоугольной формы. Первое впечатление, что это набор квадратов и прямоугольников, таков внешний вид кристалла.

Из этого я делаю вывод, что атомы кристалла имеют правильную геометрическую форму, и когда они переплетаются в единый кристалл, он также приобретает правильную геометрическую форму с небольшими отклонениями.

Выводы: В этой лаборатории я узнал, как выращивать кристаллы соли и что таким образом можно выращивать кристаллы любого другого простого вещества, а также что необходимо для их выращивания и как они растут.

Лабораторная работа 2.

Изготовление пригодного для использования угломера и измерение углов между поверхностями кристаллов

Оборудование: Две линейки, транспортир, кристаллы соли.

Для измерения углов между поверхностями кристаллов используется прибор, называемый утилитарным гониометром. Самодельный угломер можно сделать из двух линеек.

Цель работы: Сделать самодельный угломер и измерить углы между поверхностями поваренной соли.

Порядок работы.

Я сделал полезный угломер. Для этого я прикрепил две линейки с помощью винта и гайки.

Я прикрепил кристалл к одной из линеек в месте крепления так, чтобы грани кристалла были перпендикулярны плоскости линейки. Поверните другую линейку так, чтобы другой край кристалла был перпендикулярен плоскости другой линейки. Зафиксируйте положение линеек с помощью винта и измерьте угол между ними с помощью транспортира.

Таким же образом я измерил угол между другими пересекающимися поверхностями того же кристалла, а также между поверхностями других кристаллов.

Читайте далее: