Пьезо-электрический кварц и применение его для измерения весьма слабых электрических токов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

N

В. Д. Кузнецов^

Пьезо - злектрнческий кварц и применение его для измерения вееыа

слабых электрических токов.

(К статье 1 стр. чертежей).

Прибор, известный под названием пьезо-кварца Кюри, состоит из кварцевой кристалической пластинки около 10 см длиной, 1'5—2 см щирийой и 0'05—0'07 см толщиной, вырезанной так, что оптическая ось кристалла (черт. , 1) параллельна ширине и перпендикулярна ее длине, а одна из бинарных или электрических осей перпендикулярна пластинке. При растя-. жении такой пластинки на широких ее гранях появляются одинаковые, но разноименные количества электричества, которые собираются станиолевыми листиками, неклеенными на кварцевую пластинку. Поэтому пьезо-кварц можно назвать эталоном количества электричества. Им пользуются для измерения весьма слабых электрических токив порядка Ю-14.— Х0~17 ампер.

Черт. 2 изображает пьезо-кварц в коя$Трукц£» • фирцы- ^«Société. •'Gteniràîé' ' de produits chimiques. Paris», которым я пользовался в своих исследованиях. Пьезо - кварцевая пластинка ПК .Своими концами заделана в металлические обоймы ОБ. Пластинка подвешивается на крючек К, и к ее нижнему концу прикрепляется стержень • С б чашкой Л, на которую ставятся грузы (до 5 кгр) для растяжения. Заряды, появляющиеся при растяжении улавливаются станиолевыми или серебряными обкладками, покрывающими обе стороны «ластинки. Каждая обкладка имеет по две узких (0'1 — 0'2 мм) щели Щ, отделяющие центральную часть обкладки от ее концов. К центральным частям, образующим вместе с кварцевой пластинкой плоский конденсатор, приклеены небольшие металлические кружки, соединенные спиральными медными пружинками с зажимами 3 с янтарной изоляцией. Одну из обкладок можно соединять-с землей при помощи особого приспособления, состоящего из кулака КЛ, рычага Р и горизонтального вращающегося стержня, снабженного рукояткой РК. Другая обкладка обыкновенно всегда находится в соединении с. землей. Нижняя часть латунного футляра Ф имеет от'емное дно Д, которое прикрепляется при помощи двух штоков. Чтобы снять дно, нущю повернуть его до упора н затем, слегка поворачивая, стягивать вниз. На дне футляра лежит кольцеобразная стеклянная чашка СЧ, в которую наливается, приблизительно до одной трети, чистая серная кислота с небольшим количеством дымящейся нордгаузенской кислоты для,поглощения водяных паров, так как с только яри отсутствии влаги внутри футляра щели Щ хорошо изолируют и -прибор функционирует правильно. Через латунную трубку Т (см. также черт. 2-а) проходит стержень С с чашкой. Металлические пробки ПР еяужат для уменьшения отверстий, а, следовательно, для затруднения доступа влаги м для устранения качанйй стержня возникающих при накладывания гирь на чашку. Сверху прибор закрывается латунным колпаком КП (черт. 2-6). Зажимы 3 проходят через металлические передвигающиеся пробки, которые на время перерывов в опытах придвигаются вплотную к стенкам колпака и только во время опытов для изоляции зажимов они отодвигаются.

Кварцевую пластинку следует держать в большой чистоте. В особенности следует обращать внимание на изолирующие щели и на открытые узкйе грани пластинки. До них ни в.коем случае нельзя дотрагиваться пальцами. Если изоляция открытых граней и щелей не достаточно совершенна, то их следует промыть кусочком чистой бумаги, смоченный сначала дестиллированной водой, затем чистым спиртом и, наконец, снова водой. После промывки прибором нельзя пользоваться в течение нескольких часов.

J. и Р. Curie1) показали, что количество электричества Q, выраженное в электростатических единицах, которое появляется на каждой обкладке пьезокварца при его растяжении или сжатии, выражается через:

; Q- Лс ^ Р, ;

где L см — длина действующей части кварцевой пластинки, т. е. длина обкладки, I) см — толщина пластинки, Р дин — груз, растягивающий или сжимающий пластинку и к—так называемая пьезо-алектрическая постоянная, численно равная тому количеству электричества, которое появляется на обкладке кварцевого конденсатора, имеющего длину и толщину в 1 см при действующей силе в одну дину. Ученые, изучавшие пьезо-электрические свойства кварца, получили следующие значения постоянной к:

J. и Р. Curie 2) k = 6-32.10"s на одну дину, J. Curie ®) к^6-90, 4».. Czermak *) —6*26, Е. Rieke и W. Voigt ») —6-45, F. Pockels 6>—6*27 и \У Röntgen 7j —6-Щ .10;-8. , ч

Последнее число, полученное Röntgen'oM довольно значительно отличается от остальных чисел, за иск'лючениём числа J. Curie. Постоянная к, отнесенная к килограмму, по Röntgen'y равняется О-0681, а по J. Curie к—0/0677. Röntgen видит причину расхождения его числа с числами других исследователей в целом ряде обстоятельств, не вполне учтенных при более ранних исследованиях. Число к может получиться меньше истинного 1) при неправильном расположении оптической и электрической осей относительно грани пластинки, 2) при недостаточной однородности напряжения в кристалле, 3) при существовании Цримёсей в кристалле, 4) при недооценки емкости абсолютного конденсатора, употребляемого при определении к, 5) при недооценке значений электородвижущих сил нормальных элементов и, наконец, 6) цри недостаточном совершенства изоляции. - <

Ца черт. З изобра^кена схеэда соединения цриборов при определении достоянной к. Одна, да обрадок кварцевой пластинки соединена с 8ецд|$, другая—с изолированной -парой квадраптов квадрантного электрометра Э. С этой же парой квандрантов соединена одна из обкладок плоского нормального конденсатора С с охранным кольцом, другая обкладка которого при помощи переключателя ДР может соединяться или с землей , или с полюсом батареи Бг нормальных элементов.

Опыт заключается в том, что сначала размыканием ключа К'Д изолируется пара квадрантов, затем, перекидыванием переключателя IIP, заряжается обкладка конденсатора, до потенциала V и в. то же время накладывается на чашку или снижается с нее подходящая гиря Р, которая подбирается так,

J) .J. Curie. Ann. de Chim/et Phys. 17, 385 (1889).

. 2) P. Curie. Oeuvres p 36;

3) X Curie. 1. c;

*) P. Czermäk, Wien. Sitzungsber. 96, 1217 (1887);

5) E. Rieeke u. W. Voigt. W. A. 45 549 (1892);

f>) F. Pockels. Abh. d. Ges. d. Wiss. Göttingen. 39 (1894);

') WV Röntgen. Ann. d. Phys. 41, 44Ö (1913).

чтобы количество электричества Q, появляющееся на кварцевой пластинке, точно компенсировалось зарядом противоположного знака на обкладке конденсатора. При равенстве этих зарядов стрелка электрометра остается в покое и постоянная к определяется из равенства:

Q — СУ = к Р, *

где С емкость абсолютного конденсатора. На практике можно поступить иначе, а именно: измерить L и D и воспользоватся готовым значением к,

В 1881 году братья Р и J, Curie1) предложили особый компенсационный, метод для измерения весьма слабых электрических токов, который получил довольно широкое распространение в особенности после работ супругов Curie.,2) над радиоактивными веществами. На черт. 4 изображена схема соединения приборов при этом методе.

06o¿flKa А измерительного конденсатора ПК, через который протекает^ измеряемый ток от батареи Бз, может быть соединена при помощи переключателя П или с землей или с изолированной парой квадрантного электрометра Э, находящейся в постоянном соединении с одной из обкладок пьезо-кварца ПК. Вторая пара квадрантов в вторая обкладка пьезо-кварца всегда соединены с землей. Стрелка электрометра соединена с одним из полюсов батареи Bi, другой пЪлюс который заземлен.

Электрический ток, протекающий через измерительный конденсатор, уходит в землю. Для его измерения, в некоторый момент перекидывают переключатель П и одновременно растягивают кварц, увеличивая нагрузку так, чтобы^ стрелка электрометра все время находилась на нуле. В мойбнт перекидывания переключателя пускают в ход секундомер и останавливают его через такой промежуток времени Т, когда 'растягивающая сила Р достигает определенного значения. Сила тока определяется по формуле:

./LP i = k • эл. ст. ед.

Для получения силы тока в амперах следует полученное значение разделить, на 3.109. Вместо постепенного увеличения растяжения кварца, можно наоборот уменьшать растягивающий груз от некоторого значения Р до нуля, только в этом случае с землей нужно соединить другую обкладку кварца.

Самую важную роль при этом методе играет постепенное плавное изменение нагрузки. J. Curie указывает два способа такого изменения.

Первый способ заключается в том, что на "чашку пьезо-кварца ставится сосуд, в который через кран вливается ртуть. Можно так регулировать вытекание, что будет точная компенсация. Количество ртути, втекшей в сосуд в течение времени Т определяется путем взвешивания. -Этот способ дает большую- точность и удобен только при неизменной силе тока. Урегулировав втекание ртути при постоянном токе, можно продолжать наблюдения в течение большого промежутка времени. Однако этот способ неприменим, при изменяющемся токе, с которым часто приходится иметь дел® при исследовании проводимости диэлектриков.

Второй, более простой, способ состоит в том, что во время компенсации постепенно накладывают гири на чашку, и, поддерживая ее % все время рукою, регулируют нагрузку так, чтобы стрелка не отклоцялась от нуля, при

О J. Curie. 1. с.

, 2) M-me S. К. Curie. Recherches sur les substances radioactives. Paris 1908.

этом замечают время от момента начала растяжения до отнятия руки, поддерживающей чашку. Можно просто на чашку положить подходящий груз Р и в начале компенсации поддерживать его усилием руки, клорую во избежании утомления следует* положить на опору подходящей высоты. При некотором навыке этим способом можно делать хорошие измерения. Рука постепенно привыкаем к регулированию и инстинктивно поддерживает или опускает груз.

Преимущество второго способа перед первым—прежде всего в его простоте* Затем, второй способ применим при изменяющемся токе, когда приходится производить компенсацию в течение малых (несколько векунд) и быстро чередующихся один за другим промежутков времени. Оперируя рукою и без перерыва переходя от одного груза к следующему, нужно только отмечать моменты каждого изменения нагрузки. Фирма «Société central de produits çhimiqiie. Paris» изготовляет особое приспособление для более удобного поддерживания грузов, що у прибора, которым я пользовался, такого приспособления не было.

Довольно много времени я посвятил на то, чтобы хорошо овладеть этим способом, и убедился на практике в том, что он обладает существенными недостатками. Прежде всего очень трудно плавно ослаблять усилие руки, поддерживающей чашку с грузами: получаются толчки, влекущие за собой смещение стрелки электрометра, которые с трудом удается аннулировать при дальнейшей компенсации. Когда приходится работать в течение нескольких часов, то рука настолько устает от напряжения, что в конце концов получается плохая компенсация. Неспокойное состояние наблюдателя сильно сказывается на точности измерений. Для устранения толчков я пробовал прикреплять к чашке спиральные пружинки, которые удерживал рукой в натянутом состоянии и постепенно спускал. Это внесло некоторое улучшение в сглаживании толчков, но рука по прежнему быстро утомлялась.

. Вторым крупным недостатком этого способа является малая точность при определении момента, когда рука перестает поддерживать груз.

После целого ряда попыток усовершенствовать компенсационный способ мне удалось, повидимому, достичь цели и выработать более удобный и точный рпособ. Сущность этого т р е т ь е г о с п о с о б а состоит в следующем. К нижней оправе пьезо-кварца ПК (черт. 5) на нити, подвешена стальная спиральная пружинка IIP, подходящей упругости, к нижнему концу пружинки прикреплен железный шар ЖШ подходящего для наблюдаемой силы тока веса. Шар можно сделать полым и его вес изменять для различных серий опытов при помощи дроби или ртути. Стеклянный стакан СС наполняется таким количеством ртути, чтобы при поднятии его шар мог плавать. От верхней части шара и от ртути идут два гибких тонких спиралеобразных проводника к электромагниту электрического хронографа, при чем на пути ставится аккумулятор АК. Перед наблюдением стакан поднимается рукой на такую высоту, чтобы шар свободно плавал на ртути и чтобы пружинка была ослаблена. Нрк таком положении цепь оказывается замкнутой и якорь с пером П притянутым к сердечнику электомагнита. После этого изолируют электрометр и пьезо-кварц от земли при помощи переключателя с ртутными контактами, при этом момент изоляции отмечается вторым пером хронографа1)- Опуская постепенно стакан, удерживают стрелку электрометра у нуля. В момент отрывания железного шара от ртути перо отскакивает от электромагнита и

1) Л пользовался хронографом с тремя электромагнитными отметчиками, пишущими на бумажной ленте, передвигаемой электромотором. Ътот очень удобный и прекрасно действующий, хронограф приобретен от фирмы «The Cambridge Scictific Instrument C°. Cambridge England» [Каталог № 52 стр. la (1У0§)]. - 4

делает отметку на ленте хронографа. Таким образом хронограф делает две откетки, по которым можно определить промежуток времени Т, необходимый -для увеличения растягивающей силы от нуля до значения, равного весу шара с пружинкой. Этот промежуток времени легко определить с точностью до десятой секунды, так как третье перо хронографа1 отмечает секунды.

Описанный способ имеет большие практические вмгодн. Прежде всего наблюдателю соверщенно не приходится следить за временем, так как оно определяется автоматически. Следовательно, все внимание работающего может быть сосредоточено исключительно на точности компенсации, т, е. на удержании стрёлки эаейтрбметра у нуля., Затем благодаря пружинке, на которой висит груз, значительно облегчается самый процесс компенсации. Пружинка сглаживает толчки, неизбежные при опускании груза, и делает опускание мягким и плавным. Этому также способствует и самый способ постепенного увеличения нагрузки путем уменьшения объема ртути, вытесняемой шаром:. Мне йного пришлось работать по эТоту способу и я не нарел в нем каких либо существенных недостатков. Напротив, путем сравнения, я убедился, что этот способ имеет много преимуществ перед способами Curie. Рука при этом способе устает несравненно меньше, чем при втором способе, так как она, благодаря пружинке и ртути во время наблюдения находится в меньшем напряжении. Правда и в этом способе есть один недостаток, но он целиком падает на хронограф и заключается в том, что иногда отметчики хронографа вследствие трения о бумагу начинают немного отставать и вводят тем самым ошибку в определении промежутка времени, но при внимательном отношении к их действию, путет соответствующего регулирования, этот недостаток легко устраняется.

Сначал я хотел было ограничиться прййв»евдеи тодысо ртути, м шара без пружинки,, но это оказалось недбстаточйо удобным и не являлось значительным улучшением способа. Точно falcóte оказалось мало пригодным примене -ние цилиндрических железных гирь со сферическим основанием.

При первых опытах мне казалось,- что пружинка во время опускания стакана может колебатся и тем может сделать неопределенным момент обрывания, но специальные опыты устранили сомнение.

К статье В. Д. Кузнецова, «Пьезо-Электри чески й кварц и применение его для измерения весьма слабых электрических токов».

ЗвЙДЯ

Чер. 2-6