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Verfahren und Anordnung zur Sichtbarmachung schneller piezoelektrisch,
pyroelektrisch oder durch Magnetostriktion erzeugter mechanischer Schwingungen Die
Erfindung bezieht sich darauf, diejenigen mechanischen Schwingungen sichtbar oder
in anderer Weise optisch erkennbar u machen, die durch schnelle elektrische Schwingungen
erzeugt werden und eine derartige mechanische Schwingungsamplitude besitzen, daß
diese nicht ohne weiteres feststellbar bzw. erkennbar ist. Solche Schwingungen treten
in erster Linie auf bei piezoelektrischenKristallen und sonstigen piezoelektrisch
erregbaren Körpern (insbesondere Kristallzusammenstellungen u. dgl.), bei denen
mit Hilfe des piezoelektrischen Umkehreffektes elektrische Schwingungen in elastische
Schwingungen -umgebildet werden. Gegebenenfalls kann die Erfindung auch verwendet
werden bei Körpern, die auf Grund eines pyroelektrischen Effektes oder eines Effektes
der NIagnetostriktion mit kleiner, zunächst ohne weiteres nicht sichtbarer, mechanischer
Amplitude schwingen.
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Die Erläuterung der Erfindung möge für den speziellen Fall erfolgen,
daß piezoelektrische Kristalle durch elektromagnetische Schwingungen erregt und
die daraus resultierenden mechanisch-elastischen Schwiiigungen gemäß der Erfindung
nachgewiesen werden.
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Zur Erläuterung mögen einige allgemeine Bemerkungen vorangeschickt
werden. Bekanntlich zeigen gewisse Kristalle, die eine polare Achse besitzen, die
Erscheinung: wenn sie z. B. in Richtung einer solchen Achse einem Druck ausgesetzt
werden, treten an bestimmten Stellen des Kristalls elektrische Ladungen auf (piezöelektrischer
Ef-
fekt, Brüder Curie). Aus thermodynamischen Überlegungen folgerte man theoretisch,
daß hierzu ein Umkehreffekt existieren müßte. Wenir man z. B. gegenüberliegende
Flächen einer polaren 21,chse eines piezoelektrischen Kristalls entgegengesetzt
elektrisch auflädt, war gemäß diesem Umkehreffekt eine Dehnung oder Zusammenziehung
des Kristalls zu erwarten, unter anderem in Richtung derselben polaren Achse. Es
war von vornherein zu erwarten, daß dieser reziproke piezoelektrische Effekt nur
äußerst klein sei>> würde. Für Ouarz ergab sich theoretisch bei einer piezoelektrischen
Konstante d =. 6,3-2 # 10-s (im' Zentimeter-Gramm-Sekunden-System gemessen): Wenn
man bei einem Ouarzprisma die Endflächen senkrecht zur optischen Achse auf eine
Spannung von z. B. 3oo Volt gegeneinanderbringt, . d. h. auf die Einheit der Spannung
in elektrostatischem Maßsystem, müßte sich eine Längsausdehnung oder Zusammenziehung
des Quarzprismas um ein Stück von nur c1 = 6,32 # 10-s CM ergeben. Daß eine
solche Längsausdehnung, auch wenn sie theoretisch vorhanden ist, praktisch unmeßbar
sein wird, ergibt sich schon aus der Bemerkung,- dafi diese. durch 300 Volt
hervorgerufene Längenänderung nur so viel beträgt wie der Abstand zweier gleichberechtigter
Atome im
Kristallgitter des Quarzes (die Gitterkonstanten des Quarzes
betragen etwa 5 # io-s cm'). Tatsächlich sind in dieser Richtung selbst hei :,-#,nwendun,g
wesentlich höherer Spannungelr 1 im allgemeinen nicht die Längenäncleruni#,hi,r
direkt beobachtet worden, sondern andtt` Erscheinungen, die man ,glaubt als Folgee
erscheinungen der Längenänderungen und sofinit als Bestätigung des Vorhandenseins
des piezoelektrischen Umkehreffektes deuten zu können. Dieser theoretisch zu erwartende
Effekt, vier durch Anlegung einer konstanten Spannung an dem Kristallstück theoretisch
zu erwarten ist, möge als der statisch piezoelektrische Umkehreffekt bezeichnet
werden. Obgleich bei konstanter Spannung und ruhendem Kristall die-- Möglichkeiten
der Beobachtung von Längenänderungen noch relativ günstig sind, bereiten viele der
tatsächlich durchgeführten Beobachtungen zur Feststellung dieses -Effektes (Röntgen)
durchaus theoretische Schwierigkeiten (vgl. z. 13. Voigt, Kristallphysik,. S.8io
bis 8i4).
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An piezoelektrischen Kristallen sind ferner Erscheinungen bekanntgeworden,
die bei der Stabilisierung der hochfrequenten Schwingungen eines Senders technisch
ausgenutzt werden (Oszillatoren, Cady) und die zum Nachweis von hochfrequenten Schwingungen
einer bestimmten Frequenz, auf die der Kristall anspricht, benutzt werden (Leuchtresonatoren,
Giebe und Scheibe). Wenn eine durchgearbeitete Theorie dieser elektrotechnisch ausgenutzten
Schwingun.gs- und Resonanzerscheinungen an piezoelektrischen Kristallen vorläge,
würde diese Theorie auf der Voraussetzung aufbauen müssen, daß neben dem piezoelektrischen
Effekt der piezoelektrische Umkehreffekt vorhanden ist. Die tatsächlichen Beobachtungen
der bekannten Erscheinungen an Schwing- und Leuchtkristallen zur Frequenzstabilisierung
und Schwingungsanzeige zeigen aber rein experimentell lediglich Zusammenhänge zwischen
elektrischen Erscheinungen. Selbst wenn zur Erklärung dieser Erscheinungen theoretisch-
der piezoelektrische Umkehreffekt benutzt wird, zeigen diese Erscheinungen alsb
nichts darüber, ob wirklich der piezoelektrische Umkehreffekt vorhanden ist. Eine
Andeutung der theoretisch vermutlich vorhandenen Zusammenhänge hat der Erfinder
gegeben (in Geiger und Scheel, Handbuch der Physik, Band 13 Kapitel 8: Falkenhagen,
Pyro-und Piezoelektrizität, S.:291 Füßnote2, deren Aufnahme vom Erfinder veranlaßt
wurde). Selbst wenn man sich aber auf den Standpunkt stellt, -daß theoretisch bei
der -elektrotechnischen Wirksamkeit der Schwing-. und Leuchtkristalle mechanische
Schwingungen vorhanden sind, können diese elektrischen Erscheinungen nicht als Nachweis
des Vörhändenseins mechanischer Schwingungen angesehen werden. Auf keinen Fall läßt
sich mit @NLilfe dieser elektrischen Erscheinungen irt-z.r.'endein Anhält für die
Größenordnung der ..Itaretisch zu erwartenden und möglicherweise vorhandenen mechanischen
Kristallschwingungen gewinnen.
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Bei einer weiteren technischen Anwendung des piezoelektrischen Effektes
für die Zwecke der Unterwasserschall-Signalgebung (vorzugsweise mit Ultraschallfrequenzen,
Langevin) werden unter dem Einfluß der elektrischen Erregung piezoelektrischer Kristalle
in dein flüssigen Medium Druckschwankungen hervorgerufen: Feststellungen darüber,
ob diese Druckschwankungen.in der Flüssigkeit auf mechanischen Bewegungen des Kristalls
von meßbarer Amplitude beruhen, lassen sich auf diese Weise nicht ohne weiteres
treffeil.
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:'1n die bekannte Unter Wasser schall-Senderanordnung; bei der ein
piezoelektrischer Kristall in einer Flüssigkeit angeordnet war und mit dieser zur
Erzeugung von Druckschwankungen zusammetaarbeitete, knüpfen Versuche von Wood und
Loomis an, bei denen ein Quarzkristall- in gut isolierendem Transforinatorenöl eingebettet
ist und durch hochfrequente Wechselspannungen so höher Spannung beeinflußt wird,
wie man sie noch ohne Durchschlaggefahr in dem gut isolierenden Öl zwischen den
Belegungen des Quarzes anwenden kann, Größenordnungen der benutzten Spannung mindestens
50 000 Volt, möglichst ioöoooVolt und'darüber. Die durch derart hohe Spannungen
hoher Frequenz erzeugten Quarzschwingungen erzeugen in dem Transformatorenöl Druckschwankungen,
vorzugsweise wenn die Höhe der Flüssigkeitssäule ein gerades Vielfaches der benutzten
Wellenlänge ist. Diese Zusammenwirkung des Quarzes mit dem Öl ist angewendet worden
zur Erzielung verschiedenartiger Effekte (Herstellung von Eiliulsionen, Erhitzung
von mit dem Transformatorenöl in Berührung gebrachten Körpern infolge der auftretenden
erheblichen Reibung). Diese ergaben jedoch gemäß den Überlegungen des Erfinders
keinen ganz zwangsläufigen Nachweis für das Vorhandexisein mechanischer Schwingungen
für den Fall, daß der Kristall allein ohne Zusaminenwirküng mit deal Transförmatorenöl
schwingt. Außerdem waren die benutzten Spannungen der Größenordnung Von ioo ono
Volt so hoch, daß man hierbei schon finit der Möglichkeit eines wirklichen Nachweises
eines rein statischen piezoelektrischen Unikehreffektes hätte rechnen -können. (Der
Betrag der Längenänderung beim statischen Effekt würde bei dieser Spannung o,ooo-gi
mni betragen, also evtl. sogar, mikroskopisch nachweisbar
sein.)
Tatsächlich haben sich die Erscheinungen bei Wood und Loomis insofern an den statischen
piezoelektrischep Effekt angeschlossen, als bei diesen Beobachtern auf den Kristall
elektrische Schwingungen einwirkten von einer solchen Frequenz, die nicht Eigenfrequenz
des Kristalls war, so daß es sich dabei nicht um freie, sondern um erzwungene Schwingungen
des Kristalls gehandelt hat.
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Die bekannten piezoelektrischen Resonanzeffekte treten jedoch auch
bei Kristallen auf, denen nur Spannungsamplituden von einigen Volt -rugeführt werden
'beispielsweise 2o bis 30 Volt, jedenfalls unter der Spannung von
300 Volt, für die, wie angegeben wurde, die Längenänderung beim statischen
piezoelektrischen Umkehreffekt in der Größenordnung der Kristallgitterkonstante
liegt. Dies wird bei der Erfindung ausgenutzt.
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Die piezoelektrischen Effekte, z. B. bei Sendern, treten im allgemeinen
auf bei Resonanz cler in Betracht kommenden elektrischen Schwingung mit einer Eigenschwingung
des Kristalls. Man konnte dabei jedoch nicht feststellen, ob die unter normalen
Verhältnissen für eine direkte oder mittelbare Beobachtung viel zu kleinen piezoelektrischen
UmkehreffeIcte durch die Resonanz eine so größere Amplitude erhalten, daß damit
die mechanischen Schwingungen sichtbar werden.
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Auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anzeigen und sonstigen
optischen Sichtbarmachen derartiger piezoelektrisch erregter n iechanisch-elastischer
Schwingungen bezieht sich die Erfindung und bedient sich dazu der Resonanz einer
piezoelektrisch (oder pyroelektrisch oder durch Magnetostriktion) erregbaren mechanischen
Eigenschwingung eines schwingenden festen Körpers mit der Frequenz einer erregenden
elektromagnetischen Schwingung.
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Versuche, die Schwingungsamplitude des Kristalls direkt etwa unter
einem Mikroskop zu beobachten, führten zu keinem brauchbaren Ergebnis. Verschiedene
andere Versuche, die mechanische Schwingungsamplitude nachzuweisen, konnten deshalb
bei den in Betracht kommenden Schwingungen nicht zum Erfolg führen, weil bei den
hohen Frequenzen (beispielsweise 3 Millionen Hertz Beobachtungen mechanischer Schwingungen
im allgemeinen schwer erzielbar sind und Belastung des schwingungsfähigen Kristalls
mit der Beobachtung dienenden Massen fester Körper im allgemeinen die Schwingung
erheblich dämpft und den Effekt beeinträchtigt.
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Durch die Erfindung wird die Aufgabe in zufriedenstellender und einfacher
Weise gelöst. Gemäß der Erfindung werden die inechanisch " schwingenden piezoelektrischen,
festen Körper auf Flüssigkeitsoberflächen derart zur Einwirkung gebracht, claß sie
Unebenheiten auf diesen Flüssigkeitsoberflächen erzeugen, die das Vorhandensein
.der Schwingungen anzeigen. Es hat sich nämlich durch Versuche des Erfinders ergeben,
daß man sogar mit einfachen Anordnungen durch Einwirkung der schwingenden piezoelektrischen
Körper auf Flüssigkeitsoberflächen merkliche Unebenheiten der Flüssigkeitsoberflächen
erhalten kann, die ohne weiteres sichtbar sind bzw. optisch erkennbar gemacht werden
können. Beispielsweise lassen sich stehende Wel-A len auf Flüssigkeitsoberflächen
sowie andere Unebenheiteli der Flüssigkeit durch die schwingenden Kristalle erzeugen,
bei denen die Flüssigkeit durch die Schwingung veranlaßt wird, Oberflächengestalt
anzunehmen, die verschieden ist von denjenigen Oberflächenausbildungen, die die
Flüssigkeit im allgemeinen auf Grund der Schwerkraft einerseits und auf Grund der
Oberflächenspannung andererseits (Minimum der Oberflächenenergie) annimmt. Außer
Oberflächenwellen läßt seich die Bildung von Menisken an Flüssigkeiten erzeugen
sowie beispielsweise auch die Ausbildung gleichmäßig auf dem Kristall verteilter
Erhöhungen der Flüssigkeitsoberfläche. Auch durch Bewegungen von Flüssigkeitströpfchen
lassen sich die mechanischen Schwingungen des piezoelektrischen Kristalls sichtbar
machen.
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Die .auf diese Weise erzielbaren Effekte sind besonders bemerkenswert
dadurch, daß sie schon dann auftreten, wenn der Kristall mit relativ geringen Spannungen
beeinflußt wird. Bei den zu Versuchen benutzten Spannungen (wesentlich unter
300 Volt) würden nach dem Gesagten die mechanischen Schwingungsamplituden
dann, wenn nur die Größe des statischen piezoelektrischen Effektes vorläge, nur
zu Verschiebungen Anlaß geben, die Bruchteile der Gitterkonstanten des Ouarzes wären.
(Dabei mag die Frage dahingestellt bleiben, ob es mit Rücksicht auf die überlagerte
Wärmebewegung überhaupt einen Sinn hat, von so kleinen Verschiebungen der Kristallionen
zu sprechen.) Die Beobachtungen des Erfinders haben den Nachweis dafür geliefert,
daß beimpiezoelektrischenResonanzeffekt die Amplitude der mechanisch-elastischen
Ouarzschwingung ein bedeutendes Vielfaches der beim statischen Effekt zu erwartenden
Längenänderung ist. Trotzdem sind auch diese mechanischen Amplituden des Resonanzeffektes
noch so klein, daß sie nicht ohne weiteres sichtbar oder direkt optisch erkennbar
sind.
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Durch die Erfindung werden jedoch mit Hilfe sehr einfacher Mittel,
nämlich unter Zuhilfenahme einer Flüssigkeitsoberfläche,
init der
der Kristall direkt in Berührung kommt, die äußerst kleinen Amplitudqn der mechanischen
Kristallschwingung übersetzt zu großen optisch sichtbaren Amplituden. Diese Übersetzung
beruht auf einer Art Surninierungswirl@tmg, hervorgerufen dadurch, claß die Schwingungen
von zwar kleiner Amplitude mit sehr hoher Frequenz erfolgen und dadurch die Flüssigkeit
so häufig anstoßen, (lall insgesamt dadurch die Ungleichmäßigkelt der- Flüssigkeitsoberfläche
sichtbar in Eischeinung tritt.
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"'r Die Erfindung ist in den Abbildungen in beispielsweisen Ausführungsformen
scheinatisch dargestellt. Als .elektromagnetisch erregten piezoelektrischer Kristall
wurde dabei ein geeignet geschnittenes Stück Quarzkristall verwendet, ausgebildet
als Platte, beispielsweise von 2 cm Länge in Richtung der optischen Achse, 2 cm
Breite und einer Stärke von etwa sh iniii. Der Kristall besaß, wie Messungen ergeben
haben; in einem elektrischen Schwingungskreis in einer Fassung mit Elektroden, die
an den beiden quadratischen Flächen anliegen, eine elektrische Eigenschwingung von
etwa ioo in Wellenlänge, d. h. 3 Millionen Hertz. In einem Schwingungserzeuger für
Schwingungen dieser Wellenlänge beispielsweise nach der in cl er amerikanischen
Patentschrift 2 017 897
beschriebenen Schaltung wurde der Kristall zu elektrischen
Resonanzschwingungen in seiner Eigenfrequenz erregt mit relativ kleiner Amplitude
von nur einigen Volt. Jedenfalls ergaben sich gute Effekte bereits bei Erregung.
des Quarzes in dieser Frequenz mit Spannungen von sehr wesentlich unterhalb der
erwähnten 30o Volt.
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In den sechs Abbildungen stellt i ein Stück piezoelektrischen- Kristall,
beispielsweise das beschriebene Quarzstück, dar, dessen in Abb. i bis 5 dargestellte
Elektroden ,I und 5 an den Kristall beispielsweise in der aus den Abbildungen- ersichtlichen
- Weise anliegen. Zur Ausbildung einer freien Schwingungs.-möglichkeit für den Kristall
sind die Elektroden so ausgebildet, daß sie nicht, wie es bei Oszillatoren üblich
ist, diegesamte Quärzfläche bedecken, sondern erhebliche Teile frei. lassen.
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Die Abb. i bis q..zegen verschiedene Anordnungen zur Erzielung der
erfindun,gsgen iäßenBewegung vonFlüssigkeitsoberflächen. Abb. 5 und 6 zeigen Anordnungen
zur wendung der Erfindung für verschiedene, insbesondere optische Zwecke, - Insbesondere
zeigen 11bb. i bis 4 beispielsweise Formen von mikroskopisch erkennbaren Flüssigkeitsbewegungen,
insbesondere solchen, bei denen Oberflächenspannungen überwunden werden. Diese Flüssigkeitsbewegungen
werden mit Hilfe des piezoelektrisch schwingenden Kristalls i erzeugt, obgleich
die die mechanischen :Schwingungen anregenden hochfrequenten elektrischen Schwingurigen
nur mit Hilfe kleiner Energien_erregt wurden. Wenn nian bei einer :"tiordiitln.g
nach Abb. i den Kristall i nur in ganz geringem Maße, etwa iuit einer Ecke, in die
Flüssigkeit hineintaucht, erhält man eine Zerstäuherwirkung derart; daß die zerstäubte
Flüssigkeit in feinsterVerteilttng fortgeschleudert wird. .Tuch hieraus kann man
(las Vorhandensein der Quarzschwingungen nach@veisen.@ Vorteilhaft ist jedoch hierfür
die Anordnung nach Abb. i. Wenn man nämlich den Kristall genügend tief in die Flüssigkeit
hineintaücht, so daß die mechanischen Quarzschwingungen bereit eine gewisse Dämpfung
erfahren und eine Zerstäuberwirkung infolge der zu großen Mengen angestoßener Flüssigkeit
nicht mehr ausgeübt wird (beispielsweise indem der Kristall finit einer Längskante
in die Flüssigkeit hineintaucht) : treten im Gefäß -finit Flüssigkeit 2o die dort
schematisch dargestellten stehenden Wellen auf der Flüssigkeitsoberfläche auf. Der
Übergang von der bei kleiner Berührung auftretenden Zerstäuberwirkung zur Entstehung
der stehenden Wellen gemäß Abb. i kann einerseits -durch die Anordnung des Kristalls
bewirkt werden, indem nian den Kristall tief- in die Flüssigkeit eintaucht (aber
immer noch derart, daß keine Flüssigkeit zwischen die Elektrode und den Quarz gelängen
kann), oder indem man den Quarz mit einer langen Kante mit der Flüssigkeitsoberfläche
in Berührung bringt. Je zäher die Flüssigkeit ist, um so leichter tritt der Übergang
zur Entstehung der Wellenbewegung und -sonstiger schneller Oberflächenschwingungen
der Flüssigkeiten ein. Bei gleicher Anordnung der Elektroden kann nian erreichen,
daß etwa bei Benutzung von Äther die Flüssigkeit zerstäubt wird, bei Benutzung von
Öl die Flüssigkeit Oberflächenwellen zeigt gemäß Abb. i und bei Benutzung von Wasser
beide Vorgänge zu gleicher Zeit eintreten.
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Im Zusammenhang hiermit steht der Vorgang, der in Abb.2 dargestellt
ist. Wenn nämlich die Längskante der Quarzplatte genau parallel zur Flüssigkeitsoberfläche
argeordnet ist, etwa im Ruhezustand dicht unter der Flüssigkeitsoberfläche, so würde
in bekannter Weise ein kleiner (punktiert gezeichneter) Meniskus 21 auftreten. Setzt
man nunmehr den Kristall in Schwingungen, so tritt ein viel stärkerer Meniskus 2=
auf. Die Flüssigkeit steigt am Quarz uni mehrere iNIillimeter empor. Überraschenderweise
tritt diese Erscheinung vielfach nur auf der einen Seite des Quarzkristalls auf;
während auf der
anderen Seite der Flüssigkeitsverlauf etwa derselbe
ist wie bei ruhendem Kristall, d. h. längs des Meniskus 2i.
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Während in Abb. i und 2 der Kristall beispielsweise senkrecht in den
Flüssigkeitsbehälter bis zur Berührung mit der Flüssigkeitsoberfläche hineingetaucht
wurde, zeigen :1bb.3 und. Avei Anordnungen mit vorzugsweise horizontaler Lage des
Quarzkristalls.
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stellt eine bestimmte Kristallfläche dar, z. B. senkrecht zur optischen
Achse. Von dem Elektrodenpaar 4., 5 mag die untere Elektrode 5 unterhalb der sichtbaren
Elektrode .. liegen. Die Anordnungen nach Abb. 3 und q. können vorzugsweise dann
zum Nachweis der Schwingungen verwendet werden, wenn die vorhandenen Kräfte aus
irgendwelchen Gründen klein sind, insbesondere wenn sie so klein sind, daß beispielsweise
eine Zerstäubung der Flüssigkeit nicht erzielt werden würde. 'Wenn man beispielsweise
einen so großen @liissiglceftstropfen verwendet, daß die Amplituden .des Quarzes
zu einer Zerstäubung der Flüssigkeit nicht ausreichen (wenn aber andererseits die
Flüssigkeitsmenge nicht so groß ist, daß dadurch die Schwingung überhaupt gedämpft
wird), bewegen sich die Flüssigkeitstropfen 23 auf der Quarzplatte i in der Weise,
daß, durch die Knoten und Bäuche der mechanischen Schwingung Unebenheiten 24. der
Flüssigkeitsoberflächen auftreten, die im ällgeineinen etwa entspre,-chend den Punkten
eines quadratischen Gitters angeordnet sind. Man kann dies beispielsweise mit Flüssigkeiten,
wie Tetrachlorkohlenstoff, von dem man einen größeren Tropfen auf die Kristallplatte
aufträgt, zum einfachen Nachweis auch relativ kleiner Schwingungsamplituden verwenden.
Bei Benutzung von dünnflüssigen oder leicht verdunstbaren Flüssigkeiten, wie Tetrachlorkohlenstoft,
tritt die Erscheinung im allgemeinen nur vorübergehend auf. Sobald nämlich entweder
durch die lebhafte Bewegung ein Teil der Flüssigkeit verdunstet oder an den Randgebieten
mit größerer Amplitude ein Teil der Flüssigkeit schon zerstäubt oder abgeschleudert
wird, verringert sich die Flüssi,gkeitsinenge auf dem Kristall ständig. Die Amplitude
des Kristalls wird dadurch entsprechend .größer. Die Unebenheiten der Flüssigkeit
werden stärker ausgebildet; bis schließlich die Amplitude so :groß- wird, daß die
verbleibende Flüssigkeit nunmehr zerstäubt. Vielfach tritt diese Erscheinung bei
1?lüssi:glceiten geringerer Zähigkeit plötzlich beinahe explosionsartig auf. Dies
dürfte so zu erklären sein, daß an den zahlreichen gitterförmig angeordneten Punkten,
an denen die Flüssigkeit eine große Amplitude aufweist, clie Verhältnisse ungefähr
gleichartig verlaufen. Wenn nun an diesen Punkten (in Abb. 3 sind 25 derartige Punkte
schematisch eingezeichnet) zu gleicher Zeit die Amplitude des Quarzes so groß geworden
ist, daß sie nunmehr imstande ist; die betreffenden an den Punkten bewegten Flüssigkeitsteile
zu zerstäuben, wird an allen 25 Punkten gleichzeitig die Zerstäubung der Flüssigkeitsteile
in feinste Unterteile eintreten. Für Kristalle mit größerer Amplitude empfiehlt
sich daher die Verwendung von beispielsweise zähflüssigem Öl.
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Quecksilbertropfen behalten im allgemeinen ihre kugelförmige Gestalt.
Während bei genügend großen Schwingungsenergien auch derartige Quecksilbertropfen
zerstäubt werden können, lassen sich bei Benutzung kleiner Energien auch die Einflüsse
auf Quecksilbertropfen zu einem sehr wichtigen Nachweis für die auftretenden Schwingungsarten
verwenden. Wenn man nämlich einen Quecksilbertropfen von einem Durchmesser vorzugsweise
unter i mm, beispielsweise 1/2 111111, auf eine horizontale Quarzplatte bringt,
so verbleibt er bei normalen Schwingungsamplituden auf der Plattenfläche. Genaue
Beobachtungen-ergaben, däß er keineswegs ruht. sondern unter dem Einfluß der Kristallschwingungen
bewegt wird, und zwar kann man auf diese Weise eine Rotationsbewegung des Quecksilbertropfens
erzeugen, bei der das Quecksilberkügelchen um seine eigene Achse sich dreht. Das
Vorhandensein der Rotation kann sichtbar gemacht werden durch Aufbringung eines
feinen Staubteilchens auf das Quecksilberkügelchen. Sofern die hochfrequenten elektrischen
Schwingungen von den Elektroden ¢ und 5 des Quarzes abgeschaltet werden, verlangsamt
sich die Rotationsgeschwindigkeit des Quecksilbertropfens, der alsdann zur Ruhe
kommt und, falls die Kristallfläche nicht völlig waagerecht ist,-nunmehr herabfällt.
Dieser Nachweis der Schwingung finit Hilfe der Bewegung eines Quecksilbertropfens
läßt sich mit einer Anordnung nach Abb. q. erreichen. Sie gibt einen Anhalt für
die Art der vorhandenen Quarzschwingung, da die Rotation des Quecksilbertropfens
ein Beweis dafür ist, daß nicht etwa lediglich reine Dilatationsschwingungeii beim
Quarz vorhanden sind, sondern solche Schwingungen vorhanden sein müssen, die den
betreifenden Drehsinn des rotierenden Ouecksilbertropfens erzeugen.
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Näheres ergibt sich durch einen Vergleich der Abb. 3 und 4.. Die einzelnen
gitterförmig verteilten Punkte 25 der Abb.3, die insgesamt ein größeres Gebiet
23 umfassen, deuten auf das Auftreten von Teilschwingungen auf der Platte, gemäß
denen nicht reine Biegungsvorgä nge auftreten. Vielmehr dürften gleichmäßige
Teilschwingungen-der
einzelnen Plattenteile vorliegen, bei denen vermutlich die Dicke der Quarzplatte
auf die Ausdehnung der schwingenden Plattenteile von Einfluß ist. Jedenfalls ist
der. Abstand der einzelnen gitterförmig verteidlten Punkte 24. ungefähr von derselben
Größenordnung wie die Dicke der Quarzplatte. Auf das Vorhandensein solcher Partialschwingungen
deutet auch die in Abb. 4. dargestellte Anordnung hin. Die Tatsache der Drehbewegung
des Quecksilbertropfens beweist, daß auch die einzelnen Teile der Platten nicht
reine Dilätationsbewegungen ausführen, sondern 4,aß sich die Bewegungen der einzelnen
Plattenteile in einer bestimmten Richtung fortpflanzen, so däß auf diese Weise durch
Phasenunterschiede zwischen den Bewegungen auch der benachbarten Plattenteile die
Drehbewegung hervorgerufen werden kann.
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Die Erfindung, die für Quarzkristalle einer bestimmten Gestalt beispielsweise
beschrieben «-orden ist, kann auch .unter Verwendung von anderen piezoelektrischen
Kristallsorten und hei anderer Gestalt der Platten Verwendung finden. Die Flüssigkeiten,
mit denen die Erfindung durchgeführt werden kann, sind insbesondere bei den Anordnungen
nach Abb. i und 2 vorzugsweise leicht bewegliche Flüssigkeiten mit geringer innerer
Reibung, wie Wasser; Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Äther oder Alkohol.
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Die Erfindung kann einerseits benutzt werden, um das Vorhandensein
der mechanischen Schwingungen direkt anzuzeigen. Sofern die mechanischen Schwingungen
ihre Ursache in zugeführten elektrischen Schwingungen haben, kann die Erfindung
auch zum indirekten Nachweis von schnellen elektrischen Schwingungen benutzt werden,
indem man die nachzuweisenden Schwingungen den Elektroden .4 und 5 des Quarzes i
zuführt und die mechanischen Quarzschwingungen sichtbar macht, was in der beschriebenen
Weise möglich ist.
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Die bei Anwendung der Erfindung auftretenden Veränderungen der Flüssigkeitsoberflächen
lassen sich ferner zur Herstellwig und Betätigung optischer und elektro-opti-. scher
Relais verwenden. Dies ist schematisch in Abb. 5 in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
Von einer Lichtquelle 26 gehen Lichtstrahlen durch einen Spalt 27; die auf den Kristall
i etwas oberhalb seiner unteren Kante auffeilen. Mit der unteren Längskante bzw.
einem Paarbenachbarter Längskanten ist der Kristall in der Flüssigkeit 2o angeordnet.
Solange der Kristall nicht schwingt, tritt nur ein kleiner Meniskus :2i auf. Sobald
der Quarz zu schwingen beginnt, vergrößert sch den: Meniskus, evtl. wachsend mit
der Schwingungsamplitude,- zum Meniskus 2 Die Einstellung des Spalts 27 in bezug
auf den Lichtstrahl von der Lichtquelle 26 kann beispielsweise derart ausgeführt
werden, daß der Lichtstrahl den niedrigen Meniskus ?i nicht erreicht, also durch
die planparallele Platte i ungehindert hindurchgeht, daß jedoch beim Erregen von
Schwingungen durch d: ii größeren Menisleus 22 eine Ablenkung- oder ev t1. Brechung
eintritt. Indem man den Lichtstrahl, der durch die Anordnung hindurchgelaufen ist,
auf einen Film 25 gelangen läßt, kann man beispielsweise die Schwingungsamplitude
des Senders unter Benutzung der Erscheinung nach Abb. 2 aufzeichnen.
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Die Erscheinung nach Abb. i kann weiterhin zur direkten einfachen
Sichtbarmachung der Schwingung dienen. Wenn unter denn Gefäß 2o ein scharf begrenzter
Gegenstand" etwa Schrift, beispielsweise der Buchstabe L (Abb. 6) angeordnet ist,
und unter dem Einfluß der Schwingungsbewegung des Quarzes i Oberflächenwellen auftreten,
verschwimmen scharfe Kanten und ermöglichen eine sehr einfache qualitative Anzeige
des Auftretens von Schwingungen, die evtl. durch Hindurchschicken von Lichtstrahlen;
die verschieden stark zerstreut werden, auch quantitativ angewendet «-erden kann,
zumal außer der Zerstreuung bzw. der Amplitude der Oberflächenwellen atrtch deren
Wellenlänge für die Messang herangezogen werden kann.
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Die Anordnung .gemäß den -Abb. 5 und 6 gibt eine weitere Möglichkeit
zur Anzeige hochfrequenter elektrischer Schwingungen. Die bekannte Anzeige finit
Hilfe von Leucht-° röhren stößt dann auf Schwierigkeiten, weriii die Beobachtung
bei zu starkem Licht vorgenommen wird bzw. erfordert in diesem Fall die Einrichtung
besonderer Abdunklungen. Die Anzeigenvorrichtung beispielsweise nach Abb. 6 arbeitet
auch bei stärkstem Licht einwandfrei. Außerdem ist für das Auftreten der Leuchterscheinungen
selbst bei Anregung durch Hochfrequenz eine gewisse, wenn auch niedrige Spannung
erforderlich. E,s treten aber mitunter bereits Schwingungen des Kristalls auf, wenn
eine Leuchtröhre noch nicht zum Ansprechen gebracht werden kann. Solche .geringen
Schwingungsamplituden lassen sich finit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtungen
anzeigen. Während also eine .'nordnung nach Abb. 6 oder ähnliche Anordnungen zum
sehr bequemen Nachweis für das Vorhandensein mechanischer Schwingungen und daher
auch elektrischer Schwingungen dienen kann, eignet sich eine Anordnung wie diejenige
nach Abb. 5 oder eine ähnliche zum sehr genauen quantitativen Nachweis, ferner auch
zur Aufzeichnung der Schwingungen. An Stelle der Anordnung nach Abb. 5 kann man
irgendeine andere Anordnung verwenden,
bei der ein Lichtstrahl durch
einen schwingenden piezoelektrischen Kristall und durch eine von diesem bewegte
Flüssigkeitsoberfläche so hindurchgeschickt wird, daß die durch die Schwingungen
des Kristalls hervorgerufenen Änderungen des Lichtweges irgendwie aufgezeichnet
werden.
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Die .in den Abbildungen dargestellten Anordnungen weisen, wie erwähnt,
besondere Vorteile auf, wenn sie bei Resonanz betrieben werden. Sie sind aber auch
an sich durchaus neu und vorteilhaft. Fluch wenn sie aus besonderen Gründen ohne
Resonanz betrieben werden sollten, weisen sie insbesondere gegenüber den bekannten
Anordnungen von Wood und L oomis, bei denen der QuarzkriAtall ganz in eine Flüssi.glceit-(Öl)
eingetaucht wa; , den großen Vorteil auf, daß der piezoelektrischeKörper viel leichter
zum mechanischen Schwingen zu bringen ist, wenn er, wie in dien Abb. i, a, 5 und
6, nur teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht oder, wie in den Abb. 3 und 4.,
mit einem Flüssigkeitstropfen zusammenwirkt, weil die völlig in Flüssigkeit eingetauchten
Kristalle wegen der geringen Zusammendrückbarkeit der Flüssigkeit eine sehr große
und energieverbrauchende Dämpfung erfahren.