Самоцветы в высоких технологиях.

Самоцветы в высоких технологиях.

Группа: ТХ-13

Руководитель: Чернавцев В.С.

Москва

2015

Содержание.

Введение.

1. Оптические свойства.

1.1 Поляризация и преломление.

1.2 Самоцветы, имеющие ярко выраженные оптические свойства.

1.3 Применение в промышленности.

2. Пьезоэлектрические свойства

2.1 Общие сведения.

2.2 Пьезоэлектрики – монокристаллы.

2.3 Применение пьезоэлектриков - монокристаллов в промышленности.

3. Пироэлектрические свойства.

3.1 Основные понятия.

3.2 Типичные представители пироэлектриков.

3.3 Применение в технике.

4. Диэлектрические свойства.

4.1 Общие сведения.

4.2 Значения диэлектрической проницаемости различных минералов.

4.3 Применение в промышленности.

5. Парамагнетические свойства (магнитные св-ва).

5.1 Общие сведения.

5.2 Материалы, обладающие магнитными и парамагнитными свойствами.

5.3 Применение в промышленности.

6. Абразивные свойства.

6.1 Общие сведения.

6.2  Природные и синтетические абразивы.

6.3 Применение в промышленности.

 

 

Введение.

Данный реферат был выполнен на основе выданной таблицы. Для рассмотрения были взяты свойства самоцветов, применимые в современной промышленности. Список свойств указан в таблице. Для удобства выполнения работы было проведено разделение на небольшие группы по два-три человека. Каждой группе полагалось собрать необходимый материал по заданному свойству. Затем отобранный текст был отредактирован и собран воедино.

При проведении сбора материала были задействованы интернет и книжные ресурсы. Прилагающаяся к реферату презентация служит иллюстрацией по данной работе.

 

Оптические свойства.

Выполнили: Кочетков Е., Березовская И., Дигуров Р.

Поляризация.

Поляризация электромагнитных волн (в частности, света) — одно из фундаментальных свойств электромагнитного излучения, состоящее в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (поперечно направлению распространения световой волны) — явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H.

Поперечность световых волн (как и любых др. электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического поля Е и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны к направлению распространения волны. Е и Н выделяют (отсюда указанное выше неравноправие) определённые направления в пространстве, занятом волной. Кроме того, Е и Н почти всегда взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.

Кристаллы драгоценных камней поляризуют проходящий свет, вызывая колебания его волн в направлении, перпендикулярном пути светового луча. Часть света, отражаясь от полированной поверхности камня, поляризуется в зависимости от угла падения.
В камнях с двойным лучепреломлением свет поляризуется полностью (за исключением лучей, распространяющихся вдоль оптических осей, т.е. направлений в кристалле, в которых двупреломление отсутствует). Каждый из двух лучей, возникших в результате двупреломления, проходит в разных направлениях, и световые волны этих лучей колеблются почти взаимо перпендикулярно. Каждое направление колебаний характеризуется разным поглощением цвета, что и обусловливает дихроизм. Знание характера поляризации света в минерале необходимо для его квалифицированной огранки, выявляющей выигрышный цвет.

1.1 Преломле́ние (рефра́кция) — изменение направления распространения волн (лучей) электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами[1], в частности – в которых скорость распространения неодинакова. Осуществляется преломление волн по общему закону для электромагнитных и акустических волн.

 

Преломление света на границе двух сред даёт парадоксальный зрительный эффект: пересекающие границу раздела прямые предметы в более плотной среде выглядят образующими больший угол с нормалью к границе раздела (то есть преломлёнными «вверх»); в то время как луч, входящий в более плотную среду, распространяется в ней под меньшим углом к нормали (то есть преломляется «вниз»). Этот же оптический эффект приводит к ошибкам в визуальном определении глубины водоёма, которая всегда кажется меньше, чем есть на самом деле.

Общие сведения.

В1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электрические заряды. В дальнейшем этому явлению было присвоено наименование пироэлектрического эффекта. Ф. Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов на определённых концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом, Ф. Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии.

Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалла сопровождается смещением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т. е. когда она вызывает индивидуальный дипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. В структурах имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричные кристаллы обладают им.

Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и скрытокристаллических диэлектриках (почти изотропных), так как это противоречит их сферической симметрии. Пьезоэффект возможен также в некоторых видах кристаллических текстур.

 

До сих пор пьезоэлектрический эффект не находит удовлетворительного количественного описания в рамках современной атомной теории кристаллической решетки. Даже для структур простейшего типа нельзя хотя бы приближённо вычислить порядок пьезоэлектрических постоянных.

В настоящие время разработана феноменологическая теория пьезоэффекта, связывающая деформации и механические напряжения с электрическим полем и поляризацией в кристаллах. Установлена система параметров, определяющих эффективность кристалла как пьезоэлектрика. Пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль) d определяет поляризацию кристалла (или плотность заряда) при заданном приложенном механическом напряжении; пьезоэлектрическая константа определяет механическое, возникающие в зажатом кристалле под действием электрического поля; пьезоэлектрическая постоянная g характеризует электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданном механическом напряжении; и, наконец, пьезоэлектрическая постоянная h определяет электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданной механической деформации. Эти постоянные являются родственными величинами и связанны друг с другом соотношениями, включающими в себя упругие константы и диэлектрическую проницаемость кристаллов, поэтому можно пользоваться любой из них. Наиболее употребителен пьезомодуль d. Пьезоэлектрические постоянные являются тензорами, и поэтому каждый кристалл может иметь несколько независимых пьезомодулей.

В общем виде уравнение прямого пьезоэффекта при воздействии однородного механического напряжения Tr записывается так:

Pi=dirTr,

Где Pi - компонент вектора поляризации; dir - пьезомодуль; Tr - компонент механического напряжения.

Уравнение обратного пьезоэффека записывается так:

Хi=dir*Er,

Где Xi - компонент упругой деформации; Er - компонент напряжённости электрического поля.

Каждый пьезоэлектрик есть электромеханический преобразователь, поэтому важной его характеристикой является коэффициент электромеханической связи r. Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение энергии, проявляющийся в механической форме для данного типа деформации, к полной электрической энергии, полученной на входе от источника питания.

Во многих случаях пьезоэлектриков существенными являются их упругие свойства, которые описываются модулями упругости C (модулями Юнга Ею) или обратными величинами - упругими постоянными S.

При использовании пьезоэлектрических элементов в качестве резонаторов в некоторых случаях вводят частотный коэффициент, представляющий собой произведение резонансной частоты пьезоэлемента и геометрического размера, определяющего тип колебания. Эта величина пропорциональна скорости звука в направлении распространения упругих волн в пьезоэлементе.

В настоящие время известно много веществ (более 500), обнаруживших пьезоэлектрическую активность. Однако только немногие из них находят практическое применение.

Принцип действия.

На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски. Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний. При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла. Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре. Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению колебательного контура

Зажига́лка — портативное устройство для получения огня. Зажигалка в зависимости от используемого топлива может быть газовой или бензиновой. Кроме этого, в зажигалках используются различные типы поджига — кремнёвый, пьезоэлектрический.

Пьезозажигалка не нуждается в источниках энергии или других расходных материалах. Имеет в своей конструкции пьезоэлектрик. Даёт несколько мощных искр по ходу кнопки в одну и в другую сторону.

Пироэлектрические свойства.

Основные понятия.

Пироэлектричество — явление возникновения электрического поля в кристаллах при изменении их температуры, например: при нагревании, трении, облучении или даже примитивном натирании.

Пироэлектрики (от др.-греч. πῦρ — огонь) — кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, то есть поляризацией в отсутствие внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация пироэлектриков не заметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые «натекают» на поверхность пироэлектрика из его объёма и из окружающего воздуха. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать до его компенсации свободными зарядами.

Изменение спонтанной поляризации и появление электрического поля в пироэлектриках может происходить не только при изменении температуры, но и при деформировании. Таким образом, все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не все пьезоэлектрики обладают пироэлектрическим эффектом. Существование спонтанной поляризации, другими словами несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов обусловлено достаточно низкой симметрией кристаллов. Ниже точки Кюри пироэлектрики являются сегнетоэлектриками.

Объяснение эффекта. Существование спонтанной поляризации, то есть несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов, обусловлено достаточно низкой симметрией кристаллов. Существует эффект, обратный пироэлектрическому: если пироэлектрик поместить в электрическое поле, то его поляризация изменяется, что сопровождается нагреванием или охлаждением кристалла. Изменение температуры при этом прямо пропорционально напряжённости электрического поля.

Физические основы пироэлектричества. Пироэлектричество - одно из интереснейших физических явлений, наблюдаемых в кристаллах. Достаточно сказать, что в различные периоды своей научной деятельности им занимались такие выдающиеся ученые, как В. Рентген, В. Фогт, П. Кюри, А. Эйнштейн, Э. Шредингер, М. Борн и др. Вместе с тем долго считалось, что оно не имеет практической ценности. Но в 60-70-е годы XX века интерес к пироэлектричеству столь сильно возрос, что только за 1970-1972 годы была опубликована четверть всех работ, которые вообще увидели свет за 2300 лет истории явления (первое упоминание относится к 315 году до н.э.), а в последующем количество публикаций удваивалось каждые три года.

Такой интерес в первую очередь был вызван открытием соединений (в основном это сегнетоэлектрики), в которых пироэффект необычайно силен и, как оказалось, может быть успешно использован для обнаружения и измерения потоков электромагнитного излучения в широком спектре частот. Кроме того, бурное развитие сегнетоэлектричества потребовало привлечения экспериментальных методик, позволяющих получить надежную информацию о поведении их спонтанной поляризации в широком интервале температур, в чем пироэлектрические методы исследования оказались вне конкуренции.

Кроме того, благодаря относительной простоте пироэлектрический эффект позволяет наглядно показать действие основных законов кристаллофизики, рассматривающих взаимосвязь симметрии кристаллов и физических явлений, продемонстрировать взаимодействие различных свойств кристаллов, то есть в минимальной степени затронуть те вопросы, которые не рассматриваются в школьных программах по физике.

Все пироэлектрики делятся на два класса. Первый - это линейные пироэлектрики, у которых поляризация линейно зависит от поля, а ее направление не может быть изменено внешним электрическим полем. К ним относятся кристаллы турмалина, сахарозы, сульфата лития моногидрата, канкринита, резорцина и др. Второй класс - это сегнетоэлектрики, материалы, у которых поляризация нелинейно зависит от поля (зависимость в форме петли гистерезиса) и ее направление может быть изменено внешним электрическим полем. Типичными представителями этого класса являются монокристаллы титаната бария, ниобата лития, триглицинсульфата, сегнетовой соли, дигидрофосфата калия.Теперь можно дать окончательное определение пироэффекта, отражающее его сущность: пироэлектрический эффект - это изменение спонтанной поляризации диэлектрического кристалла при однородном изменении его температуры.

Но оказывается, что даже для одного и того же кристалла при определенной температуре значение пирокоэффициента может быть разным в зависимости от условий, в которых проводится измерение.

Гранат

Янтарь

4). Триглицинсульфат, титанат бария, титанат свинца, сегнетоэлектрические цирконаты свинца, сополимеры винилиденфторида (PVDF), моногидрат сульфита лития.

Применение в технике.

Пироэлектрики используются в технике в качестве индикаторов и приёмников излучений. Их действие основано на регистрации электрических сигналов, возникающих между обкладками кристалла при изменении его температуры под воздействием внешнего излучения.

Диэлектрические свойства.

Общие сведения.

Диэлектрики - вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «диэлектрик» (от греч. diá — через и англ. electric — электрический) введён М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе, помещённом в электрическом поле, составляющие его электрические заряды (электроны, атомные ядра) испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов — электропроводность или поляризация — преобладает, принято деление веществ на изоляторы (Д.) и проводники (металлы, электролиты, плазма). Электропроводность Д. по сравнению с металлами очень мала. Их удельное сопротивление r порядка 10^8—10^17 ом·см, а у металлов r ~ 10^-6 — 10^-4 ом·см. Одним из важнейших параметров диэлектрика является его диэлектрическая проницаемость, характеризующая их поляризацию под действием электрического поля.Диэлектрическая проницаемость минералов подвержена сильному влиянию различных примесей; она плохо поддается расчету, и ее каждый раз приходится измерять эмпирически, по мере возможности на аппаратуре, позволяющей стандартизировать условия измерения.

Общие сведения.

Магнети́зм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. Наряду с электричеством, магнетизм — одно из проявлений электромагнитного взаимодействия.

ПАРАМАГНЕТИЗМ - свойство веществ (парамагнетиков) намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля. Приставка "пара" (греч. "возле", "рядом") указывает на слабость эффекта по сравнению с ферромагнетизмом. Кроме того, в отличие от ферро-, ферри-и антиферромагнетизма, парамагнетизм не связан с магнитной атомной структурой, и в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика равна нулю.

Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля и имеют положительную магнитную восприимчивость. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам.

Абразивные свойства.

Общие сведения.

 

Абразивные материалы (абразивы) (от лат. abrasio — соскабливание), вещества повышенной твердости, применяемые в массивном или измельченном состоянии для механической обработки других. Абразивным может быть любой природный или искусственный материал, зерна которого обладают определенными свойствами: твердостью, прочностью и вязкостью; формой абразивного зерна; зернистостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью, т. е. способностью резания и шлифования других материалов. Главной особенностью абразивных материалов является их высокая твердость по сравнению с другими материалами и минералами. Именно на различии в твердости основаны все процессы шлифовки и резки материалов.

Твердость абразивных материалов определяют либо по шкале Мооса, либо методом вдавливания алмазной пирамиды в поверхность испытуемого материала.

 

Самоцветы в высоких технологиях.

Группа: ТХ-13

Руководитель: Чернавцев В.С.

Москва

2015

Содержание.

Введение.

1. Оптические свойства.

1.1 Поляризация и преломление.

1.2 Самоцветы, имеющие ярко выраженные оптические свойства.

1.3 Применение в промышленности.

2. Пьезоэлектрические свойства

2.1 Общие сведения.

2.2 Пьезоэлектрики – монокристаллы.

2.3 Применение пьезоэлектриков - монокристаллов в промышленности.

3. Пироэлектрические свойства.

3.1 Основные понятия.

3.2 Типичные представители пироэлектриков.

3.3 Применение в технике.

4. Диэлектрические свойства.

4.1 Общие сведения.

4.2 Значения диэлектрической проницаемости различных минералов.

4.3 Применение в промышленности.

5. Парамагнетические свойства (магнитные св-ва).

5.1 Общие сведения.

5.2 Материалы, обладающие магнитными и парамагнитными свойствами.

5.3 Применение в промышленности.

6. Абразивные свойства.

6.1 Общие сведения.

6.2  Природные и синтетические абразивы.

6.3 Применение в промышленности.

 

 

Введение.

Данный реферат был выполнен на основе выданной таблицы. Для рассмотрения были взяты свойства самоцветов, применимые в современной промышленности. Список свойств указан в таблице. Для удобства выполнения работы было проведено разделение на небольшие группы по два-три человека. Каждой группе полагалось собрать необходимый материал по заданному свойству. Затем отобранный текст был отредактирован и собран воедино.

При проведении сбора материала были задействованы интернет и книжные ресурсы. Прилагающаяся к реферату презентация служит иллюстрацией по данной работе.

 

Оптические свойства.