Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используются для модуляции лазерного излучения.
Разнообразные конструкции электрооптических модуляторов света созданы на базе кристаллов ниобата лития (LiNbO3), дигидрофосфата калия (КН2 Р04 ) и его дейтерированного аналога KD2,P 04 (дидейтеро-фосфат калия). Весьма перспективно применение в качестве электрооптического материала прозрачной сегнетокерамики системы ЦТСЛ — твердые растворы цирконата-титаната свинца с окисью лантана.
Электрооптический эффект усиливается с приближением температуры сегнетоэлектрика к точке Кюри. Здесь возможна эффективная модуляция света небольшими напряжениями
(46)Пьезоэлектрики
К пьезоэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженными пьезоэлектрическими эффектами. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. Это явление было открыто братьями Кюри в 1880 г. Возникающий на каждой из поверхностей диэлектрика электрический заряд изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий около 10-10 Кл/Н. При обратном пьезоэлектрическом эффектепроисходит изменение размеров диэлектрика 
L / L в зависимости от напряженности электрического поля.
Пьезоэффект наблюдается лишь в веществах с гетерополярной химической связью, т. е. пьезоэлектриками могут быть либо ионные, либо сильнополярные диэлектрики. Вторым необходимым условием существования пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в структуре диэлектрика. В противном случае деформация вызывает симметричное смещение положительных и отрицательных зарядов, и электрический момент не возникает. Пьезоэлектриками могут быть лишь вещества с высоким удельным сопротивлением. В достаточно проводящих средах пьезоэлектрическая поляризация быстро компенсируется свободными носителями заряда. Поскольку любой диэлектрик обладает некоторым током утечки, все применения пьезоэффекта связаны с переменными быстропротекающими процессами.
|
|
|
Известно более тысячи веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе все сегнетоэлектрики. Однако практическое применение в пьезотехнике находит ограниченный круг материалов. Среди них одно из важных мест занимает монокристаллический кварц, крупные прозрачные кристаллы которого называют «горный хрусталь».
Наиболее широкое применение в качестве пьезоэлектрического материала находит сегнетоэлектрическая пьезокерамика.
.Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZrO3—PbTiO3 (цирконат-титанат свинца или сокращенно ЦТС). Эта керамика широко используется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов.
|
|
|
, Пьезокерамические элементы можно использовать в качестве датчиков давлений, деформаций, ускорений и вибраций. Двойное преобразование энергии (электрической в механическую и наоборот) положено в основу работы пьезорезонансных фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов.
Пьезотрансформаторы предназначены для получения высокого напряжения. Их обычно выполняют в виде пластины или бруска, одна половина которого (возбудитель колебаний) поляризуется по толщине, а другая половина (генератор) — по длине бруска (рис. 8.13). Переменное электрическое поле, подводимое к зажимам возбудителя, вызывает резонансные механические колебания по длине бруска. В свою очередь, механические колебания, возникающие в генераторной части, приводят к появлению выходного электрического напряжения. Трансформаторы могут быть сконструированы для работы в диапазоне частот 10—500 кГц. На более высоких частотах их размеры оказываются слишком малыми, а на низких — большими. Коэффициент трансформации напряжения, пропорциональный отношению 21/ h , может достигать значений 50 и более. Пьезокерамические трансформаторы используют в схемах питания электронно-лучевых трубок, газоразрядных приборов, счетчиков Гейгера и для генерирования высоковольтных импульсов. Преимуществами таких источников питания являются отсутствие магнитного поля, простота и надежность конструкции, малые масса и габариты.
|
|
|
Кроме керамики ЦТС для изготовления различных пьезоэлектрических преобразователей применяют керамические материалы на основе твердых растворов Ва N b2О6—PbNb2O6 и NaNbO3—KNb 03 Последние разработаны специально для высокочастотных преобразователей (10—40 МГц).
(47)Пироэлектрики
К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильной зависимостью спонтанной поляризованности от температуры.
При неизменной температуре спонтанный электрический момент диэлектрика скомпенсирован свободными зарядами противоположного знака за счет процессов электропроводности или адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы. Изменение спонтанной поляризованности сопровождается освобождением некоторого заряда на поверхности диэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток:
Пироэлектрическими свойствами обладают некоторые линейные диэлектрики (например, турмалин, сульфат лития) и все сегнетоэлектрические материалы в монодоменизированном состоянии, для которого характерна одинаковая ориентация спонтанной поляризованности всех доменов. Значительный пироэффект в сегнетоэлектриках используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.
|
|
|
Принцип действия пироэлектрических фотоприемников очень прост: лучистая энергия, попадая на зачерненную (поглощающую) поверхность сегнетоэлектрического кристалла, нагревает его. В результате нагревания изменяется спонтанная поляризованность кристалла и возникает импульс тока который регистрируется электронной схемой. Специфическим свойством таких тепловых фотоприемников является отсутствие избирательности по спектру излучения. Существенное преимущество их состоит в том, что они не требуют охлаждения при детектировании излучения даже в далекой ИК-области спектра. Наряду с этим они обладают достаточно высоким быстродействием (способны работать в частотном интервале до 10 МГц), однако по чувствительности уступают полупроводниковым фотоприемникам.
Максимальное проявление пироэлектрического эффекта наблюдают в сегнетоэлектриках с точкой Кюри, близкой к комнатной температуре. К их числу относятся кристаллы ниобата бария-стронция (SrxBa1-xNb2O6), и триглицинсульфата. Повышенной чувствительностью на высоких частотах характеризуются кристаллы LiNbO3 и LiTaO3.
Отметим, что пиро- и пьезоэлектрические свойства обнаружены у некоторых полимеров, в частности, у поляризованных пленок поливинилденфторида и поливинилденхлорида. Интерес к ним вызван простотой технологии, невысокой стоимостью, возможностью изготовления образцов практически любой геометрии. К тому же они характеризуются малой инерционностью пироэффекта на высоких частотах.
(48)Электреты
Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электрическое поле, т. е. электрет является формальным аналогом постоянного магнита.
Для уточнения технологии получения такие электреты называют термоэлектретами. Термоэлектреты способны создавать электрическое поле в окружающем пространстве в течение многих месяцев и даже лет. Большой интерес представляют фотоэлектреты, изготовляемые из материалов, обладающих фотоэлектропроводностью (сера, сульфид кадмия и др.), при одновременном воздействии света и электрического поля. Фотоэлектреты могут длительно сохранять заряды в темноте и быстро разряжаются при освещении.
Обычно электрет имеет вид тонкой пластинки или пленки с разноименными зарядами одинаковой поверхностной плотности на противоположных сторонах. В настоящее время наибольшее практическое применение находят электреты на основе полимерных пленок (политетрафторэтилен, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиметилметакрилат и др.). В условиях повышенной влажности наиболее стабильны электреты из политетрафторэтилена.
Электреты могут быть использованы для изготовления микрофонов и телефонов, измерения механических вибраций, в качестве пылеуловителей, дозиметров радиации, измерителей атмосферного давления и влажности, электрометров, в клавишных вычислительных машинах, в электрофотографии и во многих других случаях.
(49)Жидкие кристаллы
Жидкими кристаллами (ЖК) называют такие вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом. С одной стороны, они обладают текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии, а с другой — для них характерна анизотропия свойств и, прежде всего, оптическая анизотропия. Малость межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру ЖК, является принципиальной основой сильной зависимости свойств от внешних факторов (температуры, давления, электрического поля и др.). Эта зависимость, в свою очередь, открывает богатые
Жидкокристаллическое состояние образуют в основном органические соединения с удлиненной палочкообразной формой молекул. Значительную часть ЖК составляют соединения ароматического ряда, т. е. соединения, молекулы которых содержат бензольные кольца. По признаку общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три вида: смектические, нематические и холестерические.
Смектическая фаза отличается слоистым строением (рис. 8.18, а).
Из-за высокой вязкости смектические ЖК не нашли широкого применения.
В нематической фазе длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором (рис. 8.18, б). Для получения цветных изображений в ЖК вводят молекулы красителя, которые также имеют удлиненную палочкообразную форму. Область применения нематических жидких кристаллов - индикаторные устройства. К таким устройствам относятся дисплеи, крупноформатные табло, цифровые индикаторы для микрокомпьютеров, циферблаты электронных часов и цифровых измерительных приборов. Основными преимуществами таких индикаторов являются: а) хороший контраст при ярком освещении; б) низкая потребляемая мощность; в) совместимость с интегральными схемами по рабочим параметрам и конструктивному исполнению; г) сравнительная простота изготовления и низкая стоимость.
Холестерическая фаза на молекулярном уровне похожа на нематическую. Однако вся ее структура дополнительно закручена вокруг оси винта, перпендикулярной молекулярным осям (рис. 8.18, в). Шаг винтовой спирали сильно зависит от внешних воздействий. При изменении температуры изменяется расстояние между молекулярными слоями, соответственно изменяется длина волны 
0 максимального рассеяния при заданном угле наблюдения. Изменение цвета текстуры при изменении температуры называют термохромнымэффектом.
.Отметим, что в жидких кристаллах для индикации используется окружающий свет, благодаря чему их потребляемая мощность значительно меньше, чем в других индикаторных устройствах и составляет 10-4—10-6 Вт/см2. Это на несколько порядков ниже, чем в светодиодах, порошковых и пленочных электролюминофорах, а также в газоразрядных индикаторах. Принципиальными недостатками устройств на жидких кристаллах являются невысокое быстродействие, а также подверженность процессам электро- и фотохимического старения.
(50)Материалы для твёрдотельных лазеров
Лазерпредставляет собой источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.
В основе принципа действия лазеров лежит открытое А. Эйнштейном явление вынужденного (стимулированного) излучения. Оно заключается в практически одновременном испускании согласованных по частоте и направлению электромагнитных волн (фотонов) огромным количеством атомов (или молекул) под действием внешнего электромагнитного поля.
.Одним из наиболее освоенных материалов лазерной техники является рубин. Именно на рубине в 1960 г. был создан первый твердотельный лазер. Рубинами называют кристаллы α-корунда (А l2О3), в которых часть ионов алюминия замещена ионами хрома. В настоящее время используют высокотемпературные кислородные соединения (окислы, гранаты, вольфраматы, молибдаты, ниобаты, алюминаты, цирконаты и др.), фториды различных металлов, а также оксидные и фтор-бериллатные стекла. Основу последних составляет BeF2. Активирование в подавляющем большинстве случаев осуществляют трехвалентными ионами Nd3+, при этом генерация излучения наблюдается вблизи λ= 1,06 мкм.
Важнейшим материалом лазерной техники является иттрий-алюминиевый гранат в кристаллической решетке которого часть ионов иттрия замещена ионами неодима (сокращенная запись ИАГ: Nd3+). Низкая пороговая энергия возбуждения при комнатной температуре, высокая механическая прочность и хорошая теплопроводность дают возможность применять этот материал в лазерах, работающих в непрерывном и высокочастотном режимах.
Поскольку в спектре ИАГ: Nd3+ отсутствуют широкие полосы поглощения, то для увеличения эффективности оптической накачки обычно используют эффект сенсибилизации. В качестве сенсибилизатора вводят ионы С r3+. Энергия накачки, поглощенная в широких полосах сенсибилизирующего иона С r3+, резонансным безызлучательным путем передается активным ионам Nd3+. Сенсибилизация позволяет повысить коэффициент полезного действия до 5—7% и довести мощность в непрерывном режиме генерации до сотен ватт. По мощности излучения и значению коэффициента полезного действия лазеры (ИАГ: Nd3+ + Cr3+) конкурируют с мощными лазерами на углекислом газе, отличаясь от последних значительно меньшими габаритами и более
Лазеры находят применение в системах оптической локации, в телевидении, голографии, информационно-измерительной технике, в медицине. С их помощью осуществляется дальняя космическая связь. Широкое распространение получила лазерная обработка оптически непрозрачных материалов: импульсная сварка, плавление, пайка, отжиг, сверление отверстий, резание и др
(51)
Железо. Основным компонентом большинства магнитных материалов является железо. Само по себе железо в элементарном виде представляет собой типичный магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения (около 2,2 Тл).
Особо чистое железо, содержащее малое количество примесей (менее 0,05%), получают двумя сложными способами:
Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, а катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4…6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах; подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 276; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!