5. Література.

   1. Методичні накази до лабораторної роботи.

   2. Калінін С.В. “Електрорадіоматеріали”, “Вища школа”, 1983.

   3. Пасинків В.В. “Матаріали електронної техніки”,”Вища школа”,1981.

   4. Курлін В.В. “Електрорадіоматеріали”, “Суднобудування”, 1969.

Дослідження властивостей кварцу.

Мета роботи :практичне дослідження властивостей п’єзоелектриків.

I. Завдання

1.1.Дослідити залежність частоти кварцового генератора від значення вхідної напруги.

1.2.Прилади і матеріали:

- кварцовий генератор і конденсатор

- осцилограф С1-72

- вольтметр.

2. Теоретичні відомості

Поляризація діелектриків може здійснюватися не тільки при впливі зовнішнього електричного полярно і при механічних напругах. Явище поляризації діелектрика під дією механічної напруги називають прямим п'єзоелектричним ефектом.

П’єзоефект відкритий у 1880 р. братами Кюрі, широко використовують у техніці для перетворення механічних зсувів або напруг в електричні сигнали (звукознімачі, приймачі ультразвуку, датчики деформацій і т.д.), або зворотний п’єзоефект электричних сигналів у механічні (акустичні випромінювачі, генератори ультразвуку і т.п).

З п’єзоелектричних кристалів найбільш часто застосовують кварц, двуокис кремнію. Поряд з природними кристалами більш широкого використання набули синтетичні. Двуокис кремнію являє собою безбарвні прозорі кристали у виді врізаних шестигранних, призм(мал.1.).

В радіотехніці найбільшого застосування знаходять пластини косих зрізів кристалу, грані яких нахилені по відношенню до його осей. У фільтрах низькочастотного діапазону застосовують пластину, вирізану перпендикулярно осі Х и повернену на 5⁰ відносно осі Y (мал.2.). При використанні кварцу для стабілізації частоти генераторів і фільтрів головною вимогою до п’єзоелементу є нульовий і мінімальний відхід частоти механічних коливань у можливо більш широкому інтервалі температур, близьких до кімнатної. Цій вимозі в значній мірі задовольняють АТ-,ВТ-,СТ-,ДТ-,Ст-зрізи(мал.2).

Кварц має низький коефіцієнт теплового розширення 0.55·10^-8, високу температуру розм’якшення (вироби з кварцу можна нагрівати без помітної деформації до 1300⁰С), пропускають промені видимого спектру, ультрофіолетові та інфрачервоні, він-один із кращих діелектриків, стійкий до кислот (крім НГ) і води. Розплавлений кварц в'язкий, тому його дуже важко звільнити від пухирців газу. В напівпровідниковому виробництві з кварцу виготовляють ампули для проведення процесів дифузії, труби для вакуумних трубчастих печей, термостійку технологічну тару і деталі вакуумних установок, а з кварцу високої частоти-тиглі для витягування монокристалів германію і кремнію.

Кварц-діелектрик з електронним і іонним видами поляризацій для який втрат електричної енергії практично немає.

В сучасній роботі досліджується залежність частоти кварцового перетворювача від значення прикладеної напруги. П'єзоелектричний, перетворювач має вид бруска, пластини – чи тим більше складної форми з п’єзоелектриків, на поверхню яких нанесені електроди. Якщо такий зразок поміщений у змінне електричне поле (мал.3.а.), то як наслідок зворотного п'єзоелектричного ефекту в ньому збуджуються механічні коливання, температура яких залежить від амплітуди поля, а внаслідок прямого ефекту на обкладках конденсатора виникає змінна електрична напруга. Коли збігається з власною частотою механічних коливань зразка настає резонанс і амплітуда механічних і електричних коливань різко зростає. У такий спосіб п'єзоелектричний перетворювач подібний електричній коливальній системі, що володіє визначені власні частоти.

а)

б)

Рисунок2. а) умовне позначення п'єзоелектричного резонатора;

б)схема заміщення резонатора.

Власна частота кварцового перетворювача визначається його геометричними розмірами.

;

де l- довжина пластини;

h - її розмір у напрямку коливань;

S^e-величина зворотна модулю Юнга в напрямку довжини;

ρ -щільність;

m-деякий коефіцієнт, значення якого залежить від типу виникаючих коливань у пластинці кварцу (коливання згину по товщині, по ширині.)

Так як кварцовий перетворювач у даній схемі генератора (мал.4), використовується як коливальний контур, частота якого визначаєте тільки геометричними розмірами кварцу, то частота генератора (при вмиканні кварцу) залишається стабільною при зміні напруги, поданої на вхід.

При підключенні конденсатора С (положення перемикача 2), частоту генерації визначають часом зарядки С. Ємність контура в цьому випадку представляє ємність С і транзисторів. При зміні значення вхідної напруги ємність транзисторів змінюється, що приводить до зміни загальної ємності контура. В результаті частота генератора не буде залишатися стабільною.