Ο κρύσταλλος

Ορισμένοι κρύσταλλοι έχουν την εξής ιδιότητα: Με την εφαρμογή μηχανικών πιέσεων πάνω τους παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Το φαινόμενο αυτό της μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική, από ένα κρύσταλλο, ονομάζεται πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.

Επίσης, παρατηρήθηκε και το αντίστροφο φαινόμενο: Με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου σε ένα κρύσταλλο, παρατηρούνται ταλαντώσεις μετατρέποντας τη ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική. Αυτό το φαινόμενο εκμεταλλευόμαστε για την κατασκευή κρυστάλλων ταλαντωτών με τους οποίους μπορούμε να αντικαταστήσουμε τα κυκλώματα συντονισμού.

Οι κρύσταλλοι στου οποίους εμφανίζεται το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι οι κρύσταλλοι της τουρμαλίνης, του τιτανιούχου βαρίου, του άλατος Rochelle και του χαλαζία. Οι κρύσταλλοι του χαλαζία είναι σήμερα οι πιο σημαντικοί κρύσταλλοι αυτής της κατηγορίας.

Κρύσταλλοι χαλαζία

Ο χαλαζίας (Quartz) είναι η μια από τις τρεις κρυσταλλικές μορφές του SiO2 . Είναι το καθαρότερο SiO2, χωρίς ξένες προσμίξεις, είναι υλικό σχεδόν διαφανές, τήκεται στους 1700 oC ενώ μετά τους 1200 oC γίνεται ευπλαστο και κατεργάζεται εύκολα. Ο κρύσταλλος χαλαζία βρίσκεται σαν ορυκτό σε πολύ μικρές ποσότητες, γι’ αυτό παράγεται συνθετικός κρύσταλλος χαλαζία με ειδικές μεθόδους.

Ο κρύσταλος του χαλαζία είναι πρισματικός εξαγωνικής διατομής με τα άκρα του να έχουν μορφή εξαγωνικών πυραμίδων. Στο σχήμα που ακολουθεί δίνεται η κάθετος τομή καθώς και η προοπτική μορφή ενός τέτοιου κρυστάλλου.

Στην τομή αυτή, οι “ηλεκτρικοί άξονες” (ονομάζονται έτσι διότι κατά την διεύθυνση των παρατηρούνται τα εντονότερα πιεζοηλεκτρικά φαινόμενα) παριστάνονται με τις γραμμές xx, x’x’, x”x”. Οι άλλοι άξονες yy, y’y’, y”y” ονομάζονται “μηχανικοί άξονες”. Ο άξονας ΖΖ διέρχεται από το σημείο Ο, ονομάζεται “οπτικός άξονας”.

Ο κρύσταλλος κόβεται σε πλακίδια με ειδικά κοπτικά εργαλεία μεγάλης ακριβείας, μετά λειαίνονται και διορθώνονται οι διαστασεις τους με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Τελικά τοποθετούνται μεταξύ δυο μεταλλικών οπλισμών που αποτελούν τους ακροδέκτες του κρυστάλλου.

Πλακίδια που θα κοπούν κάθετα προς ένα ηλεκτρικό άξονα (xx) ονομάζονται “κρύσταλλοι τομής x”. Όμοια έχουμε “κρυστάλλους τομής y” και κρυστάλλους τομής ενδιάμεσης γωνίας. Η τομή των κρυστάλλων παίζει από άποψη συντελεστή θερμοκρασίας σημαντικό ρόλο, συγκεκριμένα οι κρύσταλλοι τομής x και y παρουσιάζουν σχετικά μεγάλη μεταβολή συχνότητας για μια δεδομένη μεταβολή θερμοκρασίας. Με τομή με ορισμένη γωνία (χαρακτηρίζεται σαν τομή ΑΤ, ΒΤ, κλπ.) πετυχαίνεται σχεδόν μηδενικός συντελεστής θερμοκρασίας, δηλαδή απόλυτα σταθερή συχνότητα.

Οι κρύσταλλοι στην πράξη χρησιμοποιούνται σε μικρόφωνα ή πικάπ (μετατροπή μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική) καθώς και σε μεγάφωνα και ακουστικά (η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική). Η σπουδαιότερη όμως εφαρμογή τους είναι η χρησιμοποίηση τους για την σταθεροποίηση της συχνότητας των σταθμών εκπομπής και γενικά των ταλαντωτών.

Η εφαρμογή αυτή βασίζεται στο ότι κάθε τεμάχιο κρυστάλλου έχει μια δική του “φυσική” συχνότητα ταλάντωσης, που εξαρτάται από τις διαστάσεις του. Αν ο κρύσταλλος τοποθετηθεί στο κύκλωμα συντονισμού ενός ταλαντωτή αντί πηνίου και πυκνωτή και το κύκλωμα συντονιστεί στη φυσική συχνότητα του κρυστάλλου, τότε δημιουργούνται συντηρούμενες ταλαντώσεις εξαιρετικά σταθερής συχνότητας, ίση με εκείνη του κρυστάλλου.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει το ηλεκτρικό ισοδύναμο κύκλωμα του κρυστάλλου και τη μεταβολή της σύνθετης αντίστασης του Ζ, με τη συχνότητα (καμπύλη απόκρισης).

Η ωμική αντίσταση R, η αυτεπαγωγή L και η χωρητικότητα σειράς Cs του ισοδύναμου κυκλώματος παριστάνουν ηλεκτρικά ισοδύναμα μεγέθη των μηχανικών χαρακτηριστικών δόνησης του κρυστάλλου. Η παράλληλη χωρητικότητα Cp, παριστάνει την ηλεκτροστατική χωρητικότητα μεταξύ των ηλεκτροδίων του κρυστάλλου.

Όπως φαίνεται και από την καμπύλη απόκρισης, ο κρύσταλλος έχει δυο συχνότητες συντονισμού, μιας σειράς fos, όπου η σύνθετη αντίσταση του είναι μικρή και μια παράλληλη fop, όπου η σύνθετη αντίσταση του είναι μεγάλη. Και στις δυο περιπτώσεις το Q του κυκλώματος είναι μεγάλο. Για τους περισσότερους κρυστάλλους, η διαφορά της fop-fos μεταξύ των δυο συχνοτητων συντονισμού τους είναι πολύ μικρή. Τον κρύσταλλο μπορούμε να τον συντονίσουμε στη μια ή την άλλη από τις δυο συχνότητες συντονισμού.