ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ ПЬЕЗОКРИСТАЛЛОВ

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.

Введение 4

1 Исторический очерк пьезоэлектрических кристаллов 6

2 Кристаллография в физике 8

2.1 Системы симметрии кристаллов 8

2.2 Индексы Миллера 11

3 Описание пьезоэлектрического эффекта 12

3.1 Прямой пьезоэлектрических эффект 13

3.2 Обратный пьезоэффект 14

3.3 Кристаллическая структура эффекта 18

3.4 Модельное рассмотрение 20

3.5 Пьезоэлектрические материальные уравнения 24

4 Пьезокристаллы, их свойства и применение 25

4.1 Кристаллы кварца, их свойства и применения 25

4.2 Физические свойства кварца 27

4.3 Уравнения пьезоэлектрических свойств 30

4.4 Типы колебаний, возбуждаемые в кварцевых элементах 31

4.4.1 Продольные колебания 31

4.4.2 Колебания изгиба 32

4.4.3 Крутильные колебания 33

4.5 Применение кристаллов кварца 35

4.5.1 Стабилизация генераторов 35

4.5.2 Частотные фильтры 36

5 Промышленное производство пьезокварца 37

6 Программные комплексы для кристаллографического анализа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 40

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 43

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.

6 Тимофеева, В. А. Рост кристаллов из растворов-расплавов // Москва: Мир. – 1978. ― 135с.

7 Шубников, А.В. Пьезоэлектрические текстуры // Москва-Ленингард. – 1949.

8 Кузина, М. Я. Об использовании природного мелкокристаллического кварца в качестве пьезосырья / М. Я. Кузина, В. И.Исаев // Югра: Изд-во Югорского ур-та. – 2008.

9 Савельев, И. В. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц // М.; Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., Курс общей физики: Учеб. пособие. – 1987. – Т.3. — 320с.

10 Блинов, Ю.Ф. Пособие по практическим занятиям по курсу Кристаллография / Ю. Ф. Блинов, Н. Н. Московченко, П. В. Серба // Издание: ТГРУ, Таганрог. – 2005. – 50с.

11 Семенова, О. Р. Кристаллофизика // Учебное пособие. Издательский центр Пермского государственного национального исследовательского университета. Пермь. – 2019.

12 Вайнштейн, Б.К Симметрия кристаллов, методы структурной кристаллографии // Современная кристаллография. Наука, Москва. – 1979. – Т.1. – 384с.

13 Вайнштейн, В.Б. Структура кристаллов / В. Б. Вайнштейн, Л.М. Инденбом, В. М. Фридкин // Современная кристаллография. Наука, Москва. – 1979. – Т.2. – 360с.

14 Дикарева, Р. П. Введение в кристаллофизику // Избранные вопросы учебное пособие. Новосибирск. – 2006. – 238с.

15Най Дж. Физические свойства кристаллов и их описание при помощи тензоров и матриц // Издательство Иностранной литературы, Москва. – 1960.

16 Желудев, И.С. Электрические кристаллы // Москва. Наука. – 1979. – 200с.

17 Сиротин, Ю.И. Основы кристаллофизики / Ю. И. Сиротин, М. П. Шаскольская // Москва.: Наука. – 1979. – 640с.

18 Проблемы роста кристаллов. Избранные доклады на Международном симпозиуме (г. Бостон, США, 1966 г.) Москва., Мир. – 1966. – 392с.

19 Татарченко, В.А. Устойчивый рост кристаллов // Москва. Наука. – 1988. – 241с.