Разработка методик выращивания кристаллов сегнетовой соли

XVII открытая конференция исследовательских и проектных работ учащихся

«Исследователь нового века»

Секция: Природопользование

Исследовательская работа

Разработка методик выращивания кристаллов сегнетовой соли

Выполнил: Руководитель:

Каменцев Георгий Феклисова Ольга Витальевна,

ученик 7 «В» класса учитель химии МБОУ «Лицей № 41»

МБОУ «Лицей № 41» Научный консультант:

Стерхова Марина Анатольевна,

к.ф.-м.н.

г. Ижевск, 2017

Введение 3

Обзор литературы 4

1.1. Понятия «пьезокристалл», «пьезоэффект», «пьезоэлектричество» 4

1.2.Сегнетова соль, ее свойства 7

1.3. Методы выращивания кристаллов сегнетовой соли 10

Практическая часть 13

Заключение 23

Список источников информации 24

Актуальность. «Мы живем в мире кристаллов», почти все, что нас окружает, имеет кристаллическую природу. Но обычно природные кристаллы содержат в себе различные дефекты, снижающие их ценность. К числу дефектов относятся включение инородных минералов, трещины, пузыри и т.д. Поэтому в настоящее время наряду с природными кристаллами в промышленности активно используются синтетические кристаллы, выращиваемые в лабораторных условиях.

Тема кристаллов, методов их выращивания очень интересная и занимательная. Этот процесс максимально безопасен с точки зрения охраны труда, что очень важно для проведения экспериментов в домашних условиях. Тщательная подготовка и выполнение оттачивают навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей работы.

За период с 2011г. по 2016г. нами были проведены исследования по выращиванию кристаллов с применением разных лабораторных методов. Мы изучали образование кристаллов медного купороса, алюмокалиевых квасцов, смеси из медного купороса и алюмокалиевых квасцов при различных температурных режимах, исследовали процесс рост кристаллов медного купороса и алюмокалиевых квасцов под воздействием магнитного поля и энергетического поля пирамиды с золотым сечением, выращивали кристаллы солей металлов в водном растворе силиката натрия. Также мы сравнивали изменения в структуре кристаллов медного купороса и алюмокалиевых квасцов, выращенных при обычных условиях, под воздействием электромагнитных и звуковых волн, и с добавлением в насыщенные растворы примеси глицерина.

В этом году цель нашей работы: апробировать методики выращивания кристаллов сегнетовой соли с пьезоэффектом.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выяснить, что такое пьезокристаллы, пьезоэлектричество, пьезоэффект

2. Изучить сегнетову соль и ее свойства.

3. Узнать методики выращивания сегнетовой соли.

4. Вырастить кристаллы сегнетовой соли разными методами.

Гипотеза: Предполагаем, что кристаллы сегнетовой соли, выращенные по разным методикам, отличаются по пьезосвойствам.

Объект исследования: рост кристаллов сегнетовой соли.

Предмет исследования: выращивание кристаллов сегнетовой соли разными методами.

Методы исследования:

• анализ источников информации,

• сравнительный анализ,

• эксперимент.

Кристаллы обладают множеством полезных и своеобразных свойств. Наверное, самыми интересными и замечательными из них являются пьезоэлектрические свойства.

В 1880 году французские ученые братья Жак и Пьер Кюри обнаружили, что если сжимать или растягивать некоторые кристаллы, на их гранях возникают электрические заряды. Данное явление Кюри назвали «пьезоэлектричеством».

Следовательно, пьезоэлектричество - это электричество, возникающее в результате механического воздействия на вещество (от греческого слова «пьезо» обозначающего «давить»). ¹⁴

При растягивании или сжатии в нужном направлении пьезоэлектрического кристалла, на некоторых из его граней возникают разноименные электрические заряды, обладающие небольшой разностью потенциалов. ⁹ (Рис. 1)

Рис. 1 Схема пьезоэффекта

Если же поместить на эти грани соединенные между собой электроды, то в момент сжатия или растяжения кристалла, в образованной электродами цепи возникнет короткий электрический импульс. Это и будет проявлением пьезоэффекта. При постоянном же давлении, такого импульса не возникнет. ⁹

Сами кристаллы, обладающие пьезоэффектом, Кюри назвали пьезоэлектрическими кристаллами, пьезокристаллами.

На ряду с прямым пьезоэффектом, существует обратный пьезоэффект. Если к такому пьезоэлементу подвести переменное напряжение, то пьезоэлемент за счет обратного пьезоэффекта будет сжиматься и расширяться, т.е. совершать механические колебания. В этом случае энергия электрических колебаний превращается в энергию механических колебаний. ¹¹ (Рис. 2)

Рис. 2 Схема прямого и обратного пьезоэффекта

Пьезоэлектрическими свойствами обладают только ионные кристаллы, у которых отсутствует центр симметрии в кристаллической решетке. Из известных 32 кристаллических классов не имеет центра симметрии 21 класс. Однако у одного из них сочетание других элементов симметрии делает пьезоэффект невозможным. Таким образом, пьезоэлектрические свойства могут наблюдаться у 20 кристаллических классов. ⁸ (Рис. 3)

Рис. 3 Типы пьезоэлектрических кристаллов и их кристаллографические оси:

а – кварц; б – сегнетова соль; в – сульфат лития; г – дигидрофосфат аммония

Для изготовления пьезоэлементов используются не целые кристаллы, а вырезанные из них пластинки.

С кристаллографической и физической точек зрения во всяком срезе кристалла, параллельном какой-нибудь грани, раскрывается та же самая грань со всеми присущими ей свойствами. Знание граней в кристалле необходимо потому, что пьезоэффект проявляется не на всех гранях и не с одинаковой силой. Поэтому пьезокристаллы распиливают с учетом данной их особенности. ¹³ (Рис. 4)

Рис. 4 Один из способов вырезания пластинки из кристалла кварца

Сейчас насчитывается более 1 500 пьезокристаллов. Их список постоянно пополняется. Самые известные пьезокристаллы - это кварц, сегнетова соль, турмалин.

Сегодня трудно назвать отрасль, в которой не использовались бы пьезокристаллические приборы. Они являются составной частью многих радиоэлектронных устройств, используемые инженерами, летчиками, космонавтами, моряками, металлургами и других специалистами.

Например, пьезоэлектрические приборы позволяют выявить в неправильно рассчитанных деталях самолетов и ракет опасные шумы, которые могут привести к разрушению корпуса.¹²

Пьезодатчики позволяют измерить давление внутри ствола оружия, двигателя внутреннего сгорания, ускорение космического корабля, температуру в нефтяной скважине или быстро определить наличие и концентрацию определенных бактерий в окружающей среде.⁷

По сравнению с механическими аналогами пьезодатчики имеют преимущества: постоянство нулевой точки, практическое отсутствие потерь на трение, хорошая воспроизводимость показаний, высокая чувствительность, возможность дистанционных измерений.⁷

На основе пьезоэлементов создается большое количество медицинской аппаратуры, а также другие приборы: источники и приемники звуковых и ультразвуковых колебаний.⁷

Пьезоэлектричество прочно вошло и в наш быт. Так, мы часто слушаем радио, смотрим телевизионные передачи. А ведь в радиовещании и телевидении широко используются пьезоэлектрические приборы.¹²

На основе пьезоэффекта работает обычная зажигалка. (Рис. 5)

Рис. 5 Схема работы зажигалки

Пьезоэлементом в зажигалке является маленький кристалл кварца. Слабый удар по нему порождает напряжение в несколько сотен вольт. Так происходит электрический пробой и между электродами проскакивает искра. Газ загорается.¹⁵

Вывод: Кристаллы, на гранях которых при их сжимании или растягивании возникают электрические заряды называют пьезокристаллами.

Электричество, возникающее в результате механического воздействия на кристалл, является пьезоэлектричеством.

Процесс возникновения электрических зарядов при сжатии или растяжении кристалла получил название прямого пьезоэлектрического эффекта. Поскольку пьезоэлектрический эффект обратим, то на ряду с прямым пьезоэффектом существует обратный пьезоэффект.

Сегнетова соль - одна из тех немногих кристаллов, которая имеет длинную и необычную историю.

Ее история началась более трехсот шестидесяти лет назад. В далеком 1655 году изобретательный французский аптекарь Пьер де ла Сегнет из города Ла-Рошель разработал новый способ лечения заболеваний желудка мелкими кристалликами неизвестного вещества.

Секрет производства своего лекарства Сегнет долгое время никому не открывал. За новым веществом закрепились названия: соль Сегнета, сегнетова соль, рошельская соль.¹

Сейчас как состав соли, так и способ ее приготовления не являются тайной. Это двойная соль винной кислоты, ее химическая формула KNaC4H4O6 • 4Н2О. ( Рис. 6) 

Рис. 6 Кристалл сегнетовой соли

При нормальных условиях сегнетова соль представляет собой бесцветные кристаллы с плотностью 1776 кг/м³. Хорошо растворима в воде (1390 г/л при 30 °С). Температура плавления 55,6 °C. ⁴

Сегнетова соль кристаллизуется в виде ромба. Чаще всего наблюдается форма, представляющая собой комбинацию из десяти граней призмы и двух замыкающих ее граней пинакоида.¹⁴ (Рис. 7)

Рис. 7 Форма кристалла сегнетовой соли

Для получения максимального пьезоэффекта пластика из кристалла сегнетовой соли должна быть вырезана под углом 45° к осям X и Y.⁶ (Рис. 8)

Рис. 8 Направление вырезания пластинки из кристалла сегнетовой соли с максимально выраженным пьезоэффектом

Сегнетову соль можно легко вырастить искусственным путем. Ее кристаллы легко обрабатываются. На пластины кристаллы сегнетовой соли можно разрезать обычной мокрой ниткой. Нитка, смоченная в воде, при своем движении быстро растворяет кристалл.⁵ (Рис. 9)

Рис. 9 Станок для распила кристалла сегнетовой соли

Главное достоинство сегнетовой соли – это высокий пьезоэффект. Самое ничтожное механическое воздействие приводит к появлению на электродах электрических зарядов.¹⁴

К примеру, чувствительность акустического приемника из сегнетовой соли в 100 раз выше чем у кварцевого.³ Поэтому кристаллы сегнетовой соли широко применяются для изготовления измерительной аппаратуры.

Однако сегнетова соль имеет и серьезные недостатки. Это низкая температура плавления (около 60 °С). При такой температуре сегнетова соль теряет свои пьезоэлектрические свойства. Также сегнетова соль легко растворяется в воде, а значит, боится влаги. Кроме того, она непрочна и не выдерживает больших механических нагрузок.¹⁴

Сегнетова соль дала новое направление в технике – сегнетоэлектричеству.

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие в оп­ределенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией (электрическим дипольным моментом), которая существенно изменя­ется под влиянием внешних воздействий: электрического поля, упругих напряжений, изменения температуры и др.⁵

К сегнетоэлектрикам относят вещества с высоким пьезомодулем.

Вывод: Кристаллы сегнетовой соль являются мощными пьезоэлектриками и обладают свойством спонтанной поляризации. Благодаря этому свойству они дали название целой группе кристаллов – «сегнетоэлектрики».

Кристаллы, в том числе пьезокристаллы, выращивают тремя способами: из растворов, из расплавов и из паров (газовой фазы).

Одна из интересных методик выращивания кристаллов из растворов разработана известным российским кристаллографом советского периода А.В. Белюстиным. (Рис. 10)

Рис. 10 Кристаллизаторы А.В. Белюстина

Он сконструировал простой кристаллизатор, не требующий подключения к источнику тока и термостатирования. Выращивание кристаллов идет при комнатной температуре. (Рис. 11)

Рис. 11 Схема крисаллизатора А.В. Белюстина

Суть кристаллизатора в следующем. Широкая стеклянная трубка снабжена (1) воронкой внизу. Сверху трубка закрыта крышкой (2). К трубке на капроновых нитках подвешен пластмассовый вкладыш (3), в боковых стенках которого вырезаны отверстия (4), затянутые капроновой тканью. Внутри вкладыша находится расходный материал – кристаллы сырца (11).

В средней же части расположена собственно зона роста. На этот участок снаружи надет бандаж из хлопчатобумажной ткани в виде фитиля (7). Ее концы опущены в сосуды с водой (8). Это зона охлаждается. Испарение воды с пояса приводит к местному охлаждению раствора в кристаллизаторе.

Получается, что в более тёплых зонах вверху и внизу кристаллы сырца растворяются, а в охлаждаемой зоне кристалл растёт.

Кристаллодержатель (5) – пластинка силикатного стекла подвешена под вкладышем примерно на расстоянии 20 мм на капроновых нитях. К нижней плоскости кристаллодержателя водостойким клеем приклеивается затравка (6).

Для уменьшения влияния внешних вибраций кристаллизатор устанавливается на подставку (9) через прокладку из губчатой резины (10).^2,16

Десятки, если не сотни соединений были кристаллизованы только благодаря агрегату Белюстина.

Простота конструкции данного кристаллизатора позволяет изготовить его в школе и в домашних условиях. Его можно использовать для выращивания монокристаллов сегнетовой соли.⁵

Существует еще одна интересная методика выращивания поликристаллов сегнетовой соли из растворов. Она была предложена кристаллографом А.В. Шубниковым.¹

Жесткая волосяная кисточка окунается в раствор сегнетовой соли. Затем на гладкой поверхности ею рисуются параллельные штрихи. Раствор, высыхая, кристаллизуется, оставляя игольчатые микрокристаллики, расположенные параллельно друг другу и действующие как один большой крисалл.¹

Так можно изготовить пьезоэлектрические детали любых размеров и форм. (Рис.12)

Рис. 12 Пьезоэлектрические детали

Методикой А.В. Шубникова можно также воспользоваться при выращивании пьезокристаллов в школе и дома.

В информационных источниках встречается подобный методике А.В. Шубникова способ выращивания поликристаллов сегнетовой соли, но только не из раствора, а из расплава соли.¹⁰

Некоторое количество сегнетовой соли насыпается в за­крытый стеклянный сосуд и помещается в кипящую воду. (Рис. 13)

Рис.13 Сегнетова соль

После того как сегнетова соль расплавится и примет температуру кипящей воды + 100 °C, сосуд открывается и в него опускается жёсткая волосяная кисть шириной 10— 20 мм.

Кисти необходимо дать прогреться до температуры расплава. Параллельно подготавливается основание, на которое будет наноситься текстура. Для этой цели лучше всего подойдёт кусочек листового металла с тщательно зачи­щенной поверхностью.

Затем кисть слегка отжимается, и рас­плав наносится на поверхность металла. Штрихи следует наклады­вать в определённом направлении, проводя кистью по одним и тем же местам несколько раз, пока блеск рас­плава не изменится, что служит признаком начала кри­сталлизации.

Пока нанесённый на поверхность металла тонкий слой расплава не затвердел окончательно, кисть опускается в со­суд и с помощью проволочки или лезвия ножа очищается её от кристаллического осадка. Затем наносится на пластинку новый слой расплава, однако штрихи накладываются в об­ратную сторону. Количество наносимых слоёв бывает раз­лично. Оно зависит от желаемой толщины текстуры.

Созревание игольчатых кристалликов в текстуре про­исходит несколько дней, после чего в ней можно обнару­жить пьезоэлектрический эффект.¹⁰

Выводы: пьезокристаллы, в том числе сегнетову соль, в школьной лаборатории и в домашних условиях можно вырастить, используя разные методики. Есть методы выращивания кристаллов из насыщенных растворов и из расплавов. По форме пьезокристаллы можно вырастить в виде монокристаллов и поликристаллов.

4.1. Приготовление насыщенного раствора сегнетовой соли

Экспериментальную работу мы начали с приготовления насыщенного раствора сегнетовой соли. (Рис. 14)

Рис.14 Приготовление насыщенного раствора сегнетовой соли

Для минимизации участия инородных веществ (примесей) в процессе кристаллизации во всех опытах мы использовали дистиллированную воду. При соотношении воды и вещества соблюдалась пропорция 1390 грамм соли на 1 литр жидкости. Для точности результатов пользовались электронными весами.

Дистиллированную воду мы разогревали на водяной бане до 30 °C². Затем высыпали в воду соль. Помешивая ее, ждали, когда соль полностью растворится и жидкость станет абсолютно прозрачной.

Далее насыщенный раствор фильтровали через фильтровальную бумагу. (Рис.15)

Рис. 15 Фильтрование раствора

Приготовленный таким образом насыщенный раствор сегнетовой соли использовали в своих экспериментах.

4.2.Выращивание кристаллов – зародышей из сегнетовой соли

Для выращивания монокристаллов сегнетовой соли в кристаллизаторе А.В. Белюстина нам были необходимы правильные кристаллы – зародыши и кристаллы - сырцы.

Чтобы вырастить их, мы емкость с приготовленным нами насыщенным раствором сегнетовой соли прикрывали салфеткой и оставляли ее в комнате (Рис.16)

Рис. 16 Банка с насыщенным раствором сегнетовой соли

В течение суток в емкости вырастало множество мелких кристаллов.

Многократно наблюдая за процессом роста кристаллов сегнетовой соли из насыщенных растворов, мы заметили, что эти кристаллы могут расти постепенно, в течение нескольких часов, а могут вырасти внезапно, буквально за полчаса. Возможно, на данный процесс влияют малейшие перепады комнатной температуры.

Кристаллы сегнетовой соли вырастают в основном правильной формы, прозрачные, но из-за скоростного роста быстро срастаются и тем самым деформируются, образуя поликристаллы. Поэтому для возможности отбора правильных кристаллов важно не пропустить момент начала их срастания (Рис. 17).

Рис.17 Кристаллы сегнетовой соли, выращенные из насыщенных растворов

Выращенные кристаллы из насыщенных растворов наиболее правильной формы мы использовали в дальнейшем для роста монокристаллов, а кристаллы неправильной формы и поликристаллы - для сырца в кристаллизаторе А.В. Белюстина.

4.3. Выращивание монокристаллов сегнетовой соли в кристаллизаторе А.В. Белюстина

Для изготовления кристаллизатора А.В. Белюстина мы использовали следующие приспособления и материалы (Рис. 18):

Рис. 18 Кристаллизаторы А.В. Белюстина

1. Перевернутая 1,5 – литровая пластиковая бутылка (емкость для раствора);

2. Пластиковая крышка, закрывающая емкость сверху;

3. Пластмассовая банка из-под лекарства (вкладыш), с просверленными отверстиями;

4. Капроновый мешочек с кристаллами сырца;

5. Марля, капроновый бандаж;

6. Стеклянная пластинка из силикатного стекла - кристаллодержатель, подвешенная к вкладышу;

7. Две банки либо два стакана с дистиллированной водой для охлаждения раствора в емкости

8. Деревянная подставка под конструкцию.

В изготовленные кристаллизаторы мы наливали насыщенные растворы сегнетовой соли. Подвешивали вкладыш с сырцом.

На вторые сутки, когда кристаллизационная система уравновешивалась к стеклянной пластинке – кристаллодержателю – мы прикрепляли универсальным секундным клеем-гелем «Супер Момент Гель» кристаллы – зародыши сегнетовой соли.

Кристаллы – зародыши приклеивали не только к нижней плоскости пластинки, как описано в методической литературе,^2,16 но и к верхней (Рис. 19) – для одновременного роста двух монокристаллов.

Рис. 19 Кристаллодержатель с приклеенными кристаллами – зародышами

В кристаллизаторе монокристаллы сегнетовой соли выращивали в течение пяти дней. Во время их роста, во избежание растворения растущих монокристаллов, мы ежедневно отслеживали наличие сырца во вкладыше, при необходимости его добавляли.

Иногда нам приходилось очищать кристаллодержатель от зародышей кристаллов – паразитов, которые могли срастись с монокристаллом и тем самым деформировать его. Особенно часто они вырастали на верхней поверхности пластинки.

За пять дней обычно вырастали кристаллы около двух сантиметров длиной и примерно один сантиметр шириной (Рис. 20).

Рис. 20 Монокристаллы, выращенные в кристаллизаторе А.В. Белюстина

(вид с разных ракурсов)

Необходимо отметить, что выращенные монокристаллы не имели ярко выраженной правильной формы.

Правильные кристаллы сегнетовой соли представляют сложную ромбическую форму двенадцатигранника. В наших опытах вырастали кристаллы, у которых какая-нибудь грань увеличивалась в ущерб другой либо некоторые грани вообще не проявлялись.

Форма кристалла во многом зависела от того, какой гранью приклеивался кристалл – зародыш к пластинке кристаллодержателя.

Возможно, для получения монокристалла идеальной формы необходимо растить его более крупных размеров, т.е. более двух сантиметров длиной и одного сантиметра шириной.

4.4. Выращивание поликристаллов сегнетовой соли из расплавов

Для приготовления расплава сегнетовой соли мы насыпали ее небольшое количество в стеклянную банку, закрыли ее и поместили в кипящую воду (Рис.21).

Рис. 21 Стеклянная банка с сегнетовой солью в кипящей воде

Когда сегнетова соль полностью расплавилась, мы открыли банку и опустили в нее жёсткую волосяную кисть шириной около 1 см. Затем прогретую кисть с расплавом соли мы слегка отжимали и начинали наносить штрихи на поверхности металлических, стеклянных пластин и монет (Рис.22).

Рис.22 Нанесение штрихов из расплава сегнетовой соли

Предполагая возможность того, что расплав не прикрепится, «не склеится» с поверхностями, один из двух экземпляров каждой исследуемой поверхности предварительно мы покрыли декоративным лаком.

Штрихи мы накладывали в определённом направлении. После того как поверхности подсыхала (3-4 минуты), мы наносили на пластинку новый слой расплава, только штрихи накладывали в об­ратную сторону. Всего мы наносили на поверхности по шесть слоев (Рис.23).

Рис. 23 Стеклянные и металлические поверхности

с нанесенным расплавом сегнетовой соли

Кисть, после каждого нанесения слоя расплава соли, мы тщательно промывали под струей воды, т.к. при остывании она мгновенно покрывалась мелкими кристаллами. Данный процесс кристаллизации не позволял равномерно покрывать плоскости расплавом соли.

Приготовленные поверхности мы аккуратно сложили в емкость и накрыли ее салфеткой. Для полного завершения процесса кристаллизации расплава сегнетовой соли на пластинках и монетах, как требуется в источниках информации,¹ мы оставили их в таком состоянии на четыре дня.

Через указанное время мы рассмотрели поверхности. Плоскости, на которых предварительно не был нанесен декоративный лак, кристаллизованный расплав сегнетовой соли выглядел следующим образом (Рис.24).

Рис.24 Вид через четыре дня поверхностей с расплавом сегнетовой соли

без предварительного нанесения декоративного лака

На стеклянной пластине расплав зафиксировался плотно, а на металлической поверхности и монете он не закрепился.

На поверхностях, предварительно обработанных лаком, расплав на всех трех видах, закрепился достаточно плотно (Рис.25).

Рис.25 Вид через четыре дня поверхностей с расплавом сегнетовой соли

после предварительного нанесения декоративного лака

Таким образом, мы сделали вывод, что при изготовлении пьезоповерхностей, в случае с металлическими плоскостями, для лучшей фиксации расплава сегнетовой соли, их предварительно следует покрыть средством, позволяющим сделать ее менее гладкой.

4.5. Выращивание поликристаллов сегнетовой соли из растворов

Выращивая кристаллы сегнетовой соли, мы также воспользовались методикой, предложенной кристаллографом А.В. Шубниковым.¹

Ту же самую кисть, использованную в вышеуказанных опытах, мы окунали не в расплав, а в насыщенный раствор сегнетовой соли, приготовленный по методике, описанной в п.п. 4.1.

Далее на гладких стеклянных и металлических поверхностях мы рисовали параллельные штрихи.

В отличие от предыдущего эксперимента, мы наносили слои раствора друг за другом в одном и том же направлении, не дожидаясь его высыхания. Слои нанесли троекратно.

Подготовленные поверхности мы также сложили в емкость, накрыли ее салфеткой и оставили на четыре дня. Через указанное время покрытые раствором сегнетовой соли плоскости выглядели следующим образом (Рис.26).

Рис.26 Вид через четыре дня поверхностей с раствором сегнетовой соли

Раствор достаточно плотно кристаллизовался на обеих поверхностях.

4.6. Изучение сегнетоэлектрический и пьезоэлектрических свойств выращенных кристаллов

Выращенные нами кристаллы сегнетовой соли мы попытались изучить на предмет наличия в них сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических свойств.

Однако при их исследовании мы столкнулись с рядом трудностей. Во-первых, мы выяснили, что кристаллы сегнетовой соли при малейшем нажатии, давлении на них быстро ломаются, рассыпаются. Во-вторых, нам сложно было найти прибор, который мог бы зафиксировать пьезоэффект, поскольку выращенные нами кристаллы могли вырабатывать напряжение, как мы впоследствии выяснили, менее одного вольта.

Пьезоэффект нам удалось обнаружить только с помощью мультиметра и только в монокристаллах, выращенных в кристаллизаторах А.В. Белюстина (Рис.27,28).

Рис. 27 Показания мультиметра при сжимании электродов без кристалла

и в случае, когда электроды просто положены на кристалл без сжимания

Рис. 28 Показания мультиметра при сжимании электродов на разных гранях кристалла

Как видно из фотографий, на разных гранях выращенные нами монокристаллы сегнетовой соли дают напряжение 58,3 либо 91,8 милливольт.

Тем самым мы обнаружили наличие пьезоэффекта в них.

То, что монокристалл сегнетовой соли – сегнетоэлектрик достаточно сложно показать в домашних условиях, но можно обнаружить явление поворота плоскости поляризации с помощью поляризационного прибора, изготовленного из двух пластин турмалина (Рис.29)

Рис. 29 Монокристалл сегнетовой соли и две пластины турмалина

Рис. 30 Свет от лазерной указки не проходит через скрещенные перпендикулярно турмалиновые пластинки

Свет от лазерной указки еле заметен, когда проходит между скрещенными перпендикулярно турмалиновыми пластинками. (Рис.30) Но помещая между пластинами выращенный кристалл, мы видим что илучение становится ярче, причем чем больший путь приходится проходить свету через кристалл, тем ярче он становится. (Рис. 31)

Рис. 31 Прохождение света через монокристалл сегнетовой соли

толщиной 0,8 см

Турмалин - это кристалл, пропускающий только одну составляющую вектора напряженности электрического поля падающего излучения. Наличие свечения говорит нам о том, что в кристалле под действием электромагнитного поля изменяется электрический дипольный момент самого кристалла..

Вывод: Входе экспериментальной работы мы научились:

1. Изготавливать насыщенный раствор сегнетовой соли и ее расплав.

2. Выращивать из насыщенных растворов сегнетовой соли кристаллы – затравки и кристаллы сырца.

3. Конструировать кристаллизатор А.В. Белюстина и выращивать в нем монокристаллы сегнетовой соли до 2 см.

4. Выращивать поликристаллические структуры сегнетовой соли на металлических и стеклянных плоскостях из расплавов и насыщенных растворов сегнетовой соли.

5. Обнаруживать пьезоэффект в монокристаллах сегнетовой соли и изменение электрического дипольного момента в нем.

В результате проведенной работы мы выяснили:

1. Пьезокристаллы – это кристаллы, на гранях которых при их сжимании или растягивании возникают электрические заряды.

Пьезоэлектричество - это электричество, возникающее в результате механического воздействия на кристалл.

Явление возникновения электрических зарядов при сжатии или растяжении кристалла получило название прямого пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект обратим, то есть существует обратный пьезоэлектрический эффект. Если к пьезокристаллу подвести переменное напряжение, то он за счет обратного пьезоэффекта будет сжиматься и расширяться, т.е. совершать механические колебания.

1. Кристаллы сегнетовой соли имеют один из самых высоких пьезоэффектов. Они дали название целой группе кристаллов – сегнетоэлектрикам.

3. Мы познакомились с тремя методиками выращивания сегнетовой соли:

- методика выращивания монокристаллов в кристаллизаторе А.В. Белюстина;

- методика выращивания поликристаллических поверхностей из расплава соли;

- методика выращивания поликристаллических поверхностей из насыщенного раствора соли.

4. Мы вырастили кристаллы сегнетовой соли тремя методами и обнаружили в выращенных в кристаллизаторах А.В.Белюстина монокристаллах пьезоэлектричетские и сегнетоэлектрические свойства.

Поскольку технические условия позволили нам обнаружить пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические свойства сегнетовой соли только в монокристаллах, выращенных в кристаллизаторе А.В. Белюстина, гипотезу, выдвинутую в начале исследования, мы не можем ни опровергнуть, ни подтвердить.

Данная исследовательская работа будет продолжена в направлении более глубокого и подробного изучения пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических свойств кристаллов сегнетовой соли, выращенных разными методами.

1. Шаскольская М.П. Очерки о свойствах кристаллов – М.: Наука, 1972 г., с. 125

2. Маскаев Ю.А., Шикин А.М. Использование кристаллизатора А.В. Белюстина для выращивания кристаллов ADP. Учебный эксперимент в образовании. Научно – методический журнал. – МОиН РФ, 2012г., № 1, стр. 80

3. Акустические приборы. Реферат. Научная библиотека им. А.Н. Игнатова [Электронный ресурс]. URL: http://www.f-mx.ru/kommunikacii_svyaz_cifrovye_pribory_i/akusticheskie_pribory.html (дата обращения 28.01.2017)

4. Большая советская энциклопедия // Сайт о химии [Электронный ресурс]. URL: http://www.xumuk.ru/bse/2426.html/ (дата обращения 26.01.2017)

5. Витовский Б., Добржанский Г. Секреты сегнетовой соли [Электронный ресурс]. URL: http://www.nesenenko.narod.ru/GOLDHAND/segnet.html / (дата обращения 30.01.2017)

6. Кинематические опыты на вращающейся аудиторной доске. Учебная литература [Электронныйресурс].URL:http://edu74.uu.ru/demophizika/demonstracii_po_phizike_149.htm/ (дата обращения 28.01.2017)

7. Континуум Коссера и пьезоэлектричество [Электронный ресурс]. URL:http://www.ipme.ru/ipme/labs/dms/prive/ivanova/Home_page_Elena_Ivanova/PDF/Iv_Kol_RCM.pdf / (дата обращения 31.01.2017)

8. Особенности пьезоэлектрического эффекта Курсовая работа Электронный ресурс]. URL: https://uchil.net/?cm=125898 (дата обращения 27.01.2017)

9. Пьезоэлектрический эффект и его применение в технике // Сайт «Школа для электрика»[Электронныйресурс].URL:http://electricalschool.info/spravochnik/poleznoe/1438-pezojelektricheskijj-jeffekt.html (дата обращения 26.01.2017)

10. Пьезоэлектрические структуры. Мастерская своего дела [Электронный ресурс]. URL: http://msd.com.ua/pezoelektrichestvo/pezoelektricheskie-tekstury / (дата обращения 30.01.2017)

11. Пьезоэффект // Сайт «Мои лекции. ру» [Электронный ресурс]. URL: http://mylektsii.ru/13-26247.html (дата обращения 27.01.2017)

12. Рачков В.К. Чудесные кристаллы // Электронная библиотека [Электронный ресурс]. URL: https://coollib.com/b/357536/read/ (дата обращения 27.01.2017)

13. Сегнетова соль Научно-технический курс OpenFabLab [Электронный ресурс]. URL: http://fablabs.ru/wiki/index.php/ (дата обращения 27.01.2017)

14. Ультразвук. Пьезоэлектрический эффект. // Сайт «Все о звуке» [Электронный ресурс]. URL: http://www.uzo.matrixplus.ru/booksound09.htm (дата обращения 26.01.2017)

15. Устройство пьезозажигалки [Электронный ресурс]. URL: http://zazhgu.ru/ustrojstvo-zazhigalok/pezo/pezo/ (дата обращения 27.01.2017)

16. Форум Химиков-Энтузиастов. Химия и Химики. [Электронный ресурс]. URL: http://chemistry-chemists.com/forum/viewtopic.php?p=93921/ (дата обращения 30.01.2017)

26