Герб України, володар знань, символізує п'єзоефект кварцу Землі

Що таке п'єзоелектрик? А все почалося з назви герба України, то набираймо терпіння до знань. Герб України тримає стихія землі, яка зароджується з води - Риб. Риби є двійним знаком, один знак є істиною, а інший є відображенням істини. Відзеркалення. Простіше зрозуміти — це оклик і відгук.

Думали -гадали, що є слова Кришна, Кришталь, Хресна. А потім і сон допоміг, бо сказав, що “дім будується з вулканічної породи”. Ще й дім шестиповерховий показали, де фасад весь зі скла, а вулканічна порода десь на задньому плані. Але потім,  у сні, одна особа візьме макет новобудови в руку, потягне до рота і згризе скляну частину будинку. Далі візьме серветку і гарно витре пальці, бо вони  липкі вони стали від такої “закуски”. Дякую всім, що допомагають і вказують шлях.

 Прийшлось поцікавитися вулканічними породами Землі, бо раніше все на Сонце дивилася. До речі згадалося, що Гермес набував знань у Вулкана, підземного Володаря життя і смерті. На  поданому малюнку першим зображенням є кам"яна будівля, потім людина і т.д.

На мал. другому показано сонце як джерело довгих хвиль, світла (виявляється, що воно є синім), змін кольорів і частоти (крапки-це розрібнення,пил) і останнє око, отримане світло.

Ще й італійська книга попала в руки Paolo Saraceno “Il caso Terra “(Справа Землі) 2007р. Це вчений, директор з досліджень Національного інституту астрономії та астрофізики (INAF) в Римі.  Шкода, що нема в інтернеті змісту книги, тоді можна було би перекласти дещо. В цій книзі я подивилась тільки малюнки, бо читати її треба довго. Він пояснює в чіткому і яскравому значенні, через проекції, слайди, форми еволюцію Всесвіту, починаючи з Великого вибуху, Big Bang , який являє початок. (Хоч також є велике питання: що було до Великого вибуху? ) На мал. показано відношення водню і гелію після вибуху і сьогоднішній стан світу. Еліо- це гелій.

Інші теорії, захоплюючі і правдоподібні, але жодної відповіді досі нема, хоча підходимо ближче до цієї області таємниці, що приносить інші питання та інші елементи дослідження. Походження Всесвіту, починаючи з 13,7 млрд років тому, спостерігається сьогодні вченими, як виявилося, після 3,6 хвилин від Великого вибуху. Наука крокує вперед, тому фізичні закони, зазначені за цією межею не годяться. Підпис малюнка " Земна кора", де кремній і кисень є основними компонентами.

Вражає паралелізм між життям зірок і людини, вони зроблені з тієї ж речовини, і підлягають тій же долі; в кінці свого життя зірки рециркулюють матеріал, з якого вони виготовлені, як це роблять живі істоти. Чудова історія нашої Землі, почалася близько чотирьох мільярдів років тому, що підтверджується при аналізі метеоритів, які падають на поверхню Землі. На мал.  показано  вісь Землі і її обертання (подібність з Землею мають інші 6 планет). На  нижньому  мал. модель пульсару  зірки - вісь обертання і вісь  магнетизму .

Таке положення  вісі і магнетизму  є цікавим, якщо макрокосмос перевести на мікрокосмос, тобто тіло людини. Отже, “Дім будуємо з вулканічної породи”- слідуємо вказівці і вивчаємо вулканічні породи. Зібрала знання для герба України, не дивуйтеся, що трохи намішано докупи, головне, що є цікава відповідь.

Кварц ( Quarz) - q- один з найпоширеніших мінералів в земній корі, породоутворений мінерал більшості магматичних і метаморфічних порід. Вулканічні породи, що виникли з гранітної магми, займають 13,5 % від площі. Входить до складу інших мінералів у вигляді сумішей і силікатів. У загальній складності масова частка кварцу в земній корі більше 60% . Всі кварци формуються із суміші кремнію і кисню. Кристалічна решітка кварцу складається з позитивних іонів кремнію і негативних іонів кисню. Кожен іон кремнію несе чотири, а кожен іон кисню — два елементарних заряди.

Хімічна формула: SiO2 ( діоксид кремнію, ангідрид кремнію).
Слово «кварц» походить від німецького слова Quarz, що означає «твердий». За іншими даними від нім. Querklüfterz, Quererz - «руда січних жил».

У геології такі лави називають «кислими». Назва зв'язана з високим вмістом кремнезему в лаві. Його настільки багато, що він не тільки насичує всі основи, але і залишається в надлишку у виді вільного кремнезему найчастіше кварцу. А кварц можна розглядати як ангідрид кремінної кислоти. Кварц присутній у вигляді скловидних тріщинуватих зерен; зазвичай він безбарвний, в окремих випадках має блакитний відтінок.

Гранітна магма, як ніяка інша, містить багато кремнезему до 70—75%, вона тверділа у великих глибинах, тільки зрідка проривалася на поверхню і на поверхні зустрічається досить рідко. Інша дуже важлива особливість кислих лав — невелика кількість магнію і заліза, тобто елементів, характерних для темнозафарбованих мінералів. До того ж залізо і магній значно важчий кремнію, алюмінію, калію, натрію й інших елементів. Цим виявляється світле фарбування кислих вулканічних порід і їхня порівняна легкість.

Коли в геологічній літературі мова йде про кислі вулканічні породи, часто зустрічається слово «порфір». Справа в тому, що деякі вулканічні породи пофарбовані так само яскраво, як і пурпурна мантія. Потрібно ще додати, що порфіри, як і величезна більшість вулканічних порід, мають характерну структуру. Якщо вулканічні породи пережили складну історію і «зістарилися», що відбито в потьмянілих вкрапленниках польового шпату, тоді їх називають кварцовими порфірами.

Кварц є мінералом, який формується і визріває в глибині земної кори шляхом затвердіння розплавленого каменю. Магма затікає в ущелини між каменями, охолоджуючись. Деяка частина магми кристалізується в тверді мінерали, в тому числі кристали рожевого кварцу.  Кварц відноситься до триклінної сингонії — тип сингонії кристалічної ґратки.

Кристали - шестигранні псевдогексагональні призми, з одного кінця (рідше з обох) увінчані шести- або тригранною пірамідальною голівкою, що поєднує межі двох ромбоедрів.  У чистому вигляді кварц безбарвний або має біле забарвлення через внутрішні тріщин і кристалічні дефекти. Кристали з чіткими вираженими гранями зустрічаються рідко. Елементи і мікроскопічні вкраплення інших мінералів надають йому найрізноманітніше забарвлення, серед яких - майже чорний моріон, фіолетовий аметист, жовтий цитрин, рожевий сердолік і т. д. На інтенсивність кольору впливають домішки марганцю, заліза або титану. (двозаломлення +0,009; дисперсія 0,013; плеохроїзм - в відтінках рожевого кольору; присутня слабка темно-фіолетова люмінесценція; фізичні властивості аналогічні властивостям кварцу). Такі властивості вказують, що на базі-основі кварцу можна творити безкінечно. У великих кількостях кварц споживається скляною та керамічною промисловістю (гірський кришталь і чистий кварцовий пісок).

Кварц використовується в оптичних приладах, в генераторах ультразвуку, в телефонній і радіоапаратурі, як п'єзоелектрик, в електронних приладах. «Кварцом» називають кварцовий резонатор - компонент пристроїв для стабілізації частоти електронних генераторів. На мал. жовтою стрічкою показано життєву зону  сонячній системі, раховану у відстані млн. км. Зелена- це Земля. Бачимо, що зона рухається навсксіс.

На другому мал. шарами показано будову Землі. Зелена- це кора, потім- мантія, рідке ядро і тверде ядро. Кора Землі має 10-30 км. Видно як епіцентр землетрусу впливає на протилежний бік Землі, його лінія, дотична до рідкого ядра, променем рухається навскіс.

Кварц безпосередньо кристалізується з магми кислого складу. Містить як інтрузивні (граніт, діорит), так і еффузивні (риолит, дацит) породи кислого і середнього складу. Кварц є головним з мінералів апогранітних метасоматитів - грейзенів. Грейзени - метасоматична гірська порода, що складається в основному з кварцу і світлих слюд (лепідоліту, мусковіту), часто містить цінні рудні мінерали у вигляді вкраплень (каситерит, вольфраміт, танталіт та ін.). Грейзени - провідна пошукова ознака на родовища руд рідкісних металів і кольорових каменів.
Кремнію діоксид, ангідрид (кремнезем) SiO2, безбарвна кристалічна, аморфна або скловиразна речовина.
Структура. Кремнію діоксид існує в декількох поліморфних модифікаціях.
Поліморфні перетворення кварцу, трідіміта і кристобалита, супроводжуються зміною маси. Кристалічні форми кремнію діоксиду побудовані з тетраедрів SiO4, a- і b-форми відрізняються невеликим зсувом і поворотом тетраедрів.
Стішовіт - єдина модифікація кремнію діоксиду, побудована з октаедрів SiO6. Стійкість трідіміта, ймовірно, визначається домішками Na і Аl. Нестійка форма кремнію діоксиду - ромбо-дипірамидальний "волокнистий кремнезем". Крім кристалічних, для кремнію діоксиду характерні і інші форми існування.
Властивості. Монокристали володіють хіральною структурою, що обумовлює їх оптичну активність і п”єзоелектричні властивості.

Хіра́льність або кіральність (від грецького χέρι— рука)— здатність будь-якого об”єкта мати своє дзеркальне відбиття не тотожне оригіналу, іншими словами об'єкт і його дзеркальне відбиття не можуть бути суміщені тільки обертанням і лінійним переміщенням; відсутність симетрії правої і лівої сторони об'єкта. Очевидним прикладом хірального об'єкта є права та ліва руки, звідси й назва поняття “хіральність”.

Намалюнку показано, що дві хвилі можуть об"єднати силу, а можуть анулювати силу.

Кварц прозорий для УФ (ультрафіолетових) і частково ІЧ (інфрачервоних) променів. Показники заломлення: Ng - більший, Np - менший. У a- і b-кварцу по дві просторові групи, тому для обох форм можливі лівий і правий оптичні ізоміри.
Розчинність кремнію діоксиду в кислих і лужних середовищах визначається природою р-розчинника. Кремнію діоксид не розчинний в більшості органічних розчинників.
Аморфний кремнезем повільно розчиняється у водних розчинах лугів, швидкість розчинення збільшується при підвищенні тиску і температури. При нагріванні сумішей порошкоподібного кремнію діоксиду з різними оксидами утворюються силікати - водорозчинний силікат натрію, як розчинне скло).
Поширення в природі. Вміст кремнію діоксиду входить до складу у вигляді сумішей з іншими мінералами (граніти). Кварц - один з поширених мінералів, рідше зустрічаються тридимит, кристобалит, ксенотеліт, халцедони, опали. Через граніт ніби «просвічують» древні, що існували до нього, гірські породи. Просвітчасті структури говорять про те, що гранітна магма застигала на місці свого утворення, не встигнувши переміститися в вищі обрії земної кори. Hайчистіший кварц - гірський кришталь, кристали якого можуть досягати декілька метрів і важити десятки тонн. Монокристали кварцу прозорі, безбарвні (гірський кришталь) або пофарбовані домішками.

З кремнезему побудовані панцири діатомових водоростей, скелети кремнієвих губок; він зміцнює стебла рослин - злаків, осоки, пальми, хвощів, бамбука, очерету, соломи; входить до складу пір’я, шерсті; виявлено в щільній сполучній тканині, нирках, підшлунковій залозі. Кремнію діоксид відповідальний за кремніювання форм живих організмів рослин. Силікати, солі кислот кремнію. Найбільше поширені в земній корі (80% щодо маси); відомі понад 500 мінералів.

Монокристали a-кварцу синтетично вирощують з лужних розчинів кремнію діоксиду при високому тиску і температурі (гідротермальні процеси).

Процес вирощування триває трошки більше місяця. Частинки кремнію діоксиду, що утворюються в киснево-водневому полум'ї або плазмі, осідають, даючи масивне кварцове скло або шари заготовок волокнистих світловодів;
- Окислення поверхні монокристального Si - у виробництві інтегральних схем;   -Спікання дрібнодисперсного кремнію діоксиду - в кварцовій кераміці;
- Золь-гель процес, що включає гідроліз органічних сполук Si, повільну дегідратацію утвореного гелю і помірне нагрівання. Використовується для отримання якісно-кремнеземного кварцового скла та виготовлення пористого скла.
Синтетичний кремнію діоксид ("біла сажа") - наповнювач у виробництві гум (до 70% виробленого кремнію діоксиду) - безводні кремнеземи типу аеросилу. Аеросил - також адсорбент в хроматографії, загущувач мастильних матеріалів, клеїв, фарб.

Альтернативна  енергія- це зв"язок Землі і Сонця.

Монокристали кварцу застосовують в радіотехніці (п'єзоелектричні стабілізатори частоти, фільтри, резонатори та ін.), в акусто-оптиці і акусто-елекроніці , в оптичному приладобудуванні (призми для спектрографов, монохроматоров, лінзи для УФ оптики та ін.) Силікогелі, з ефективним діаметром пори 2-15 нм, використовують як промислові сорбенти і носії каталізаторів. Кварцове скло і кераміка - конструкційний матеріал в авіапромисловості ( обтікаючі вікна і ілюмінатори літальних апаратів), в оптиці (для вхідних вікон оптичних приладів УФ і ІЧ діапазонів), в електроніці (лінії затримки) та ін. Кварцева тканина - теплозахисний матеріал. Кварцові волокна використовують для створення волокно-оптичних (світловодних) ліній зв'язку та систем передачі інформації (1980р).

Хтось у сні згриз скло фасаду будинку, отож, визначаємо цінніше у кварці.  На мал. показано, як з великих і повільних діаметрів  обертання,  утворюються швидкі круговороти.

Стабільність частоти. Кварцові генератори використовують для вимірювання часу в якості стандартів частоти. Їх широко застосовують в цифровій техніці в якості генераторів тактових імпульсів. Для отримання високої добротності і стабільності резонатор поміщають у вакуум і підтримують постійну температуру. Коливання кварцового генератора характеризуються високою стабільністю частоти, (10 ст. - 5 до 10 ст. -12), що обумовлено високою добротністю кварцового резонатора (10 в ст. 4 ÷ 10 в ст. 5).
Частота власних коливань кварцового генератора може перебувати в діапазоні від декількох кГц до сотень МГц. Вона визначається фізичними розмірами резонатора, пружністю і п'єзоелектричною постійною кварцу, а також тим, як вирізаний резонатор з кристала. Так як кварцовий резонатор є закінченим електронним компонентом, його частоту можна змінювати зовнішніми елементами і схемою включення в дуже вузькому діапазоні вибором резонансної частоти (паралельний або послідовний) або знизити паралельно вмонтованим конденсатором. При механічних впливах на кристал кварцу на кінцях полярною осі (точніше, на перпендикулярних до неї гранях) з'являються протилежні електричні заряди. Не обов'язково, щоб докладені зовнішні сили діяли у напрямі аналізованої полярної осі. Необхідно тільки, щоб у результаті дії зовнішніх сил виникало розтягнення чи стиснення вздовж цієї осі.

Кварцова стабілізація частоти застосовується зазвичай в автогенераторах, що працюють на фіксованих частотах (низька і висока). Якщо ж частота автогенератора повинна плавно змінюватися в широкому діапазоні, то в цьому випадку застосовують параметричну стабілізацію. (Параметрична стабілізація- щось подібне до слова парадізо, по нашому рай ))).  Залежність догляду частоти  резонатора від температури для  зрізу кварцового кристала показано на малюнку 6

Кварцова стабілізація частоти полягає у використанні в заданому генераторі замість контуру пластинки кварцу. Платівку кристалічного кварцу поміщають між двома металевими пластинками-електродами і включають в схему збудника. До електродів підводять змінну синусоїдальну напругу. Кварцова пластинка, що володіє п'єзоелектричними властивостями, починає коливатися в такт з прикладеною напругою. Механічні коливання викликають змінну напругу на електродах.
Для отримання стабільних коливань звукової і інфранизьких частот служать камертонні і магнітострикційні вібратори, виконані із спеціальних сплавів.
Розглянутий метод кварцової стабілізації частоти електромагнітних коливань знайшов широке застосування, так як кварцові заходи частоти в порівнянні з іншими заходами є найпростішими, мають найменші масу, габарити, вартість, високу економічність, надійність і великий термін служби.
                  Кварцовий резонатор
Розглянемо, як влаштовані кварцові резонатори, і на яких принципах вони працюють. Кварцові кристали відомі в природі як гірський кришталь, аметист або раухтопаз. Малюнок 1. Зовнішній вигляд кварцових кристалів    раухтопазу.

Природні кристали кварцу містять в собі велику кількість неоднорідностей, тому в даний час в основному застосовуються штучно вирощені кристали кварцу.Особливістю кристала кварцу є те, що він володіє п'єзоефектом. П”єзоеффект обумовлюється особливою будовою кристала кварцу. Він являє собою правильну шестикутну призму. Схематичне розташування іонів кисню і кремнію в кристалі кварцу .

Малюнок 2. Розташування іонів кисню і кремнію в кристалі кварцу
У кристалі явним чином спостерігається електрична вісь x і механічна вісь y. При стисненні кристала уздовж механічної осі У іони негативні кисню витісняються з одного боку, а позитивні іони кремнію з іншого. В результаті виникає різниця потенціалів. Стиснення або розтягнення по осі Z не викликає появи зарядів на гранях.
Завдяки симетричності кристала кварцу механічну і електричну осі можна провести трьома різними способами. Ефект при цьому не зміниться. На малюнку  показано, як потрібно вирізати пластинку з кристала кварцу для того, щоб на її краях виникала різниця потенціалів.

Малюнок 3. еквівалентна схема кварцового резонатора
У кристалах кварца, як і в інших п”єзоелектриків, крім прямого п'єзоефекту, присутній зворотний п'єзоефект. Він полягає в тому, що при подачі різниці потенціалів уздовж осі Х відбувається стиснення або розтягнення кристала уздовж осі y.
Якщо товщина пластини при цьому буде дорівнювати половині довжини об'ємної звукової хвилі в кварці, то в кварці виникають резонансні коливання. Кварцовий кристал поводиться при цьому подібно електричному резонансному LC контуру. Завдяки малим втратам в кристалі його добротність досягає значення кілька тисяч.
Механічні коливання кристала кварцу можуть здійснюватися по товщині (основний режим радіочастотних резонаторів), де відбувається зрушення поверхні кристала (фільтри на поверхневих акустичних хвилях) або проводиться вигин кварцової пластинки (годинні резонатори). При механічних впливах на кристал кварцу на кінцях полярної осі (точніше, на перпендикулярних до неї гранях) з'являються протилежні електричні заряди. Не обов'язково, щоб докладені зовнішні сили діяли у напрямі аналізованої полярної осі. Необхідно тільки, щоб у результаті дії зовнішніх сил виникало розтягнення чи стиснення вздовж цієї осі.

П'єзоелектрики — це діелектрики, в яких спостерігається п'єзоефект, тобто ті, які можуть або під дією деформації індукувати електричний заряд на своїй поверхні (прямий п'єзоефект), або під впливом зовнішнього електричного поля деформуватися (зворотний п'єзоефект). Обидва ефекти відкриті братами Жаком і П'єром Кюрі в 1880-1881 рр.

П'єзоелектрики (п'єзоелектричні матеріали), анізотропні кристалічні матеріали (діелектрики і напівпровідники), в яких при механічних деформаціях виникає електрична поляризація-пряма і п'єзоеффект. П'єзоелектрики володіють також і зворотним п'єзоефектом-вони деформуються під впливом зовнішнього електричного поля.

П”єзоеффекти спостерігаються тільки в кристалах, що не мають центру симетрії. В кристалах, що володіють центром симетрії, п”єзоеффект неможливий. Прямим п'єзоелектричним ефектом називають явище поляризації діелектрика під дією механічних напруг. При зворотному п'єзоефекті відбувається зміна розмірів діелектрика під дією прикладеного електричного поля.
Поляризація може бути присутня в матеріалі ще до механічної деформації (піроелектрики) і може виникати тільки внаслідок деформування. Виникнувша поляризація може бути пружною і може супроводжуватися зміною структури. П'єзоефект, загалом, зростає з ростом полярності п'єзоелектричного матеріалу. Монокристалевий кварц, з якого вирізають пластини з потрібною високоякісною характеристикою кристалографічної орієнтацієї. Кварцові резонатори, що являють собою поліровані кварцові пластинки з електродами і тримачем, мають дуже малий tgd і високу механічну добротність (тобто малі механічні втрати). Механічна добротність (величина, зворотна tgd) в кварцових резонаторах може досягати 10 в ст. 6 - 10 в ст. 7.

П”єзоефектом володіють багато матерій рослинного і тваринного походження, наприклад коллаген, деревина. Найбільше поширення в ультразвуковій техніці отримали п'єзокерамічні матеріали -п'єзокераміка, що являє собою поляризовані сегнетоелектричні матеріали.

Перевага п'єзокераміки перед монокристалами - можливість виготовлення активних елементів складної форми і будь-якого розміру. П'єзокераміка застосовується для виготовлення малогабаритних мікрофонів, телефонів, детонаторів, датчиків тисків, деформацій, прискорень, вібрацій, п”єзорезонансних фільтрів, ліній затримки, п”єзотрансформаторів та ін.
Новою сферою застосування є п'єзоелектричні двигуни. У них відсутні будь-які обмотки і магнітні поля, тому вони знаходять застосування в радіотехнічних приладах, стрічкопротяжних та інших приводах магнітофонів, у робототехніці. У п”єзодвигунів основним елементом є поляризовані керамічні пластинки, коливання яких перетворюються в обертальний рух ротора.

Перший п”єзоперетворювач на основі титанату барію з'явився в 1947 р. Перше повідомлення про використання плівкових перетворювачів ультразвукового діапазону з'явилося в 1965 р. конкурентне з п'єзокерамікою. П”єзоплівка з ПВДФ і композитів на її основі знаходить застосування в безконтактних перемикачах в клавіатурі калькуляторів, ЕОМ, телефонних номеронабирачах, електродрукуючих машинках. Досі п'єзокераміка залишається незамінною для ряду перетворювачів звукового та ультразвукового діапазонів. Розробка технології сегнетокераміки та вивчення її властивостей відноситься до спеціальних розділів матеріалознавства.

П'єзоелектрики використовуються в сучасній техніці як елемент датчиків (тиску). Існують п'єзоелектричні детонатори, джерела звуку величезної потужності, мініатюрні трансформатори, кварцові резонатори для високостабільних генераторів частоти, п”єзокерамічні фільтри, ультразвукові лінії затримки та ін.
У побуті можна спостерігати п”єзоеффект, наприклад, в запальничці, де іскра утворюється від натиску на п”єзопластинки, а також при медичній діагностиці за допомогою УЗД, в якій використовуються п'єзоелектричні джерело і датчик ультразвуку. Передовою областю п”єзоелектриків є скануюча зондова мікроскопія.

Ось і знайшли знання "кривоногого" Вулкана, а це є знак Юпітера зі стрілою вверх. Він, Перун, ніс дві стріли, праву і ліву. Я внесла різноманітну інформацію про кварц, оскільки ще не знаємо, з якого боку підійти.