Возбуждение гиперзвука, кристаллы

НЕКОТОРЫЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ ФАКТЫ

Впервые ультразвук в воде с помощью кварца в 1916 г. получил Ланжевен (см. далее), поэтому нас интересуют и вода и некоторые природные кристаллы.

В 1703 г. голландские ювелиры наблюдают явление пироэлектричества у турмалина. Это свойство кристалла создает затруднения при его ювелирной обработке.

В 1756 г. немецкий физик Эпинус (1724-1802) объяснил связь пироэлектричества с электрическими явлениями в кристаллах турмалина.

В 1759 г. английский физик Джон Кантон (1718-1772) установил, что электризация возникает у турмалина и при охлаждении, в 1760 г. он обнаружил подобные свойства у бразильского топаза.

В 1762 г. американский физик Бенджамин Франклин (1706-1790) путем прямого наблюдения доказал проводимость звука жидкостями. Однако европейские ученые долгое время опыт Франклина оспаривали.

В 1762 г. шведский естествоиспытатель Торнберн Бергман (1735-1784) опубликовал книгу «Anm;rkning om Islands krystalls electricitet» - «Обратите внимание на электричество исландских кристаллов», где описал свое исследование электрических свойств у турмалина.

В 1782 г. французский минералог Рене Жюст Гаюи (1743-1822) открывает явление пьезоэлектричества у двойникового шпата. На основе этого эффекта Гаюи конструирует чувствительный электроскоп.

В 1809 г. французский физик Жан-Батист Био (1774-1862) измерил скорость звука в твердых телах

В 1827 г. Жан Даниэль Колладон (1802-1892) и Якоб Франц Штурм (1803-1855) убедительно доказали распространение звука в воде. Они провели эксперименты на Женевском озере, где  замерили скорость распространения звука в воде, и получили весьма точный результат - 1435 м/сек. Выяснилось, что звук распространяется в воде в 4,17 раза быстрее, чем в воздухе (344 м/сек).

В 1852 г. немецкий химик Густав Розе (1798-1873) в своей классической работе о систематизации кристаллов указал на связь между формою и электрической полярностью кристаллов, в частности у турмалина.

В 1880 г. французские ученые кристаллограф Жак Кюри (1856-1941) и физик Пьер Кюри (1859-1906) провели исследования известных ранее пьезоэлектрических свойств турмалина и получили новые результаты,- братья Кюри, они знали о работе Гаюи в 1782 г., но считали свои исследования открытием. Кюри  расширили  круг изученных кристаллов,- кроме турмалина они исследовали свойства кристаллов кварца, топаза, сегнетовой соли, сахара. Вскоре после своих исследований Кюри формулируют количественные законы пьезоэлектричества, и делают выводы о свойствах симметрии пьезоэлектрических кристаллов.

В 1881 г. люксембуржец физик Габриэль Липпман (1845-1921) обнародовал свою теорему об обратимости физических явлений. До этого Липпман занимался капилярными явлениями и обнаружил, что при деформации капельки ртути возникает небольшой электрический ток. Липпман в частности, предположил, что если кристалл под действием давления создает электрические заряды на своих поверхностях, то при подаче на эти поверхности электрического напряжения – он будет деформироваться. Свою теоретическую гипотезу Липпман попросил на практике проверить братьев Кюри. В 1881 г. братья Кюри провели опыт по идее Липпмана – и убедились, что люксембуржец прав. Так по просьбе Липпмана французы братья Кюри «открыли» обратный пьезоэффект, имеющий значительно большее прикладное и техническое значение, чем прямой пьезоэффект, «открытый» братьями в 1880 г.

В 1916 г. французский физик Поль Ланжевен (1872-1946) (ученик Пьера Кюри), используя пластинки кварца, открыл способ получения в воде звуковых волн с числом колебаний до 100000 в секунду, т.е. с частотой 100 кГц. В устройстве Ланжевена кварц колебался под действием переменного электрического поля. Свое изобретение Ланжевен применил в ультраакустическом эхолоте для обнаружения подводных лодок под морской поверхностью. В дальнейшем изобретение Ланжевена, которое он существенно доработал в 1925 г., нашло широкое применение во многих отраслях промышленности, рыболовства, медицины, науки и т.д.

В 1928 г. советский физик Сергей Соколов (1897-1957) высказал основные идеи ультразвуковой дефектоскопии. В 1937 г. он создал промышленный образец такого дефектоскопа, разработал ряд конструкций дефектоскопов, и изготовил кварцевый вибратор для генерации мощных ультраакустических колебаний. Соколов получил колебания частотой 10 (в 9 степени) Гц – он уже достиг границы гиперзвука!

В 1965 г. американский физик Норман Кролл (1922-2004)  построил теорию возбуждения гиперзвуковых колебаний в конденсированных средах. Гиперзвуковые колебания по методу Кролла возникает в среде с упругими колебаниями (океан), которую облучают пучком мощного лазера. Возможно создание гиперзвуковых колебаний в конденсированной среде (вода)  взаимодействием ультразвуковых колебаний и мощного лазерного излучения.

В 1966 г. советский физик Гурген Аскарьян (1928-1997) теоретически установил самофокусировку звуковых, ультразвуковых и гиперзвуковых лучей.

ГЕНЕРАЦИЯ ГИПЕРЗВУКА

Для понимания самого понятия «гиперзвук», в том числе применительно к жидкостям , приведем несколько цитат из Большой Российской Энциклопедии 2004 г.

«ГИПЕРЗВУ;К, упругие волны с частотами от 109 до 1012–1013 Гц. По физич. природе Г. не отличается от звуковых и УЗ-волн. Благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в УЗ-области, длинам волн значительно более существенными становятся взаимодействия Г. с квазичастицами в среде – с электронами проводимости, тепловыми фононами, магнонами и др. Г. также часто представляют как поток квазичастиц – фононов.
Упругие волны могут распространяться в среде только при условии, что их длина волны заметно больше длины свободного пробега частиц в газах или больше межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых телах. Частота 109 Гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной темп-ре соответствует длине волны Г. 3,4•10–5 см (порядка длины свободного пробега молекул в воздухе при этих условиях). Поэтому в газах (в частности, в воздухе) при нормальном атмосферном давлении гиперзвуковые волны распространяться не могут. В жидкостях затухание Г. очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошо Г. распространяется в твёрдых телах – монокристаллах, особенно при низких температурах.» [87].

«Излучение и приём гиперзвука.
Совр. методы излучения и приёма Г., так же как и ультразвука, основываются гл. обр. на использовании явлений пьезоэлектричества и магнитострикции. Для возбуждения Г. можно использовать резонансные пьезоэлектрич. преобразователи пластинчатого типа, которые применяются в УЗ-диапазоне частот. Толщина таких преобразователей должна быть очень мала ввиду малости длины волны Г. Поэтому их получают в виде напылённых на торец звукопровода плёнок из пьезоматериалов. Используется также нерезонансный метод возбуждения Г. с поверхности диэлектрич. пьезоэлектрич. или магнитострикционного кристалла, помещённого торцом в СВЧ электрическое (соответственно магнитное) поле; однако эти методы генерации и приёма Г. отличаются малой эффективностью преобразования электромагнитной энергии в акустическую (порядка нескольких процен¬ов). Для генерации Г. широко применяются также лазерные источники и устройства на сверхпроводниках.» [87].

АППАРАТУРА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ГИПЕРЗВУКА

Типичное экспериментальное устройство для возбуждения гиперзвука нерезонансным преобразователем, в данном случае кварцевым, показано на рис. 1. В нем используется цилиндрический проходной СВЧ резонатор, который создает сильное электрическое поле, перпендикулярное поверхности преобразователя. В положении кварца, показанном на рисунке, гиперзвуковая волна будет распространяться в кварце параллельно его длинной стороне, при этом частота звуковой волны будет равна частоте возбуждающего волну СВЧ-поля.

Подобные этому устройства используются физиками - они дороги, не могут применяться в быту, простому человеку вряд ли можно будет объяснить как это все делать.

НО НАМ ЭТО И НЕ ПОТРЕБУЕТСЯ!!! АВТОР НАШЕЛ ДРУГОЙ ПУТЬ - ЧИТАЙТЕ ДАЛЬШЕ!!!

КРИСТАЛЛЫ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ГИПЕРЗВУКА

Для генерации гиперзвука необходимо использовать кристаллы, имеющие пьезоэлектрические свойства, и, соответственно, гиперзвук в них возникает как результат обратного пьезоэффекта. Из природных кристаллов в первую очередь можно использовать для генерации гиперзвука турмалин и кварц. Может генерировать гиперзвук и, к примеру, кристалл сахара, но использовать его невозможно по понятным причинам – он растворяется в воде.

На рис. 2 показаны 6 сортов природных кристаллов, которые автор использовал при проведении опытов по активации воды гиперзвуком - т.е. для создания гиперзвуковой воды.

Крайний слева – кристалл горного хрусталя - прозрачный кварц, длина 63 мм, диаметр основания 16 мм.
Второй слева – кристалл розового кварца, не прозрачный, нежно-розовый цвет, длина 71 мм, диаметр основания 16 мм. 
Третий  слева – кристалл дымчатого кварца, полупрозрачный, болотный цвет, длина 70 мм, диаметр основания 20 мм. 
Четвертый  слева – кристалл турмалина, сорт «чалма араба», непрозрачный, молочный  цвет с черными прожилками, длина 74 мм, диаметр основания 23 мм. 
Пятый  слева – кристалл цитрина, полупрозрачный, лимонный  цвет с почти прозрачными сквозными участками, длина 74 мм, диаметр основания 20 мм. 
Шестой слева – кристалл аметиста, не прозрачный, фиолетовый, полосатый, длина 78 мм, диаметр основания 24 мм.