Einleitung
Eines der wohl wichtigsten Elemente unserer hochtechnisierten Gesellschaft ist glücklicherweise eines, das es sprichwörtlich wie Sand am Meer gibt. Gemeint ist Silizium, das nicht nur wegen seiner Halbleitereigenschaft, sondern auch wegen der piezoelektrischen Natur von SiO 2- Kristallen in der Physik von großer Bedeutung ist. Aus eben solchen Kristallen können durch Massenproduktion sehr kostengünstig Schwingquarze in verschiedenen Formen und Abmessungen hergestellt werden. Diese erfahren in Forschung und Technik vielfältige Anwendungen. Als bekannteste Nutzung wäre die
Taktgeberfunktion in Uhren oder Mikrocomputern zu nennen. (1)
Sie können aber auch als empfindliche Sensoren und Ultraschall-geber, z.B. bei der Erforschung von Oberflächenstrukturen, eingesetzt werden.
Ein besonders anschauliches Beispiel für diese Funktion ist in dem von mir benutzten Aufbau eines Ultraschallinterferometers realisiert, einem Präzisionsgerät zur Messung der Schall-geschwindigkeit. Der Aufbau wurde von Jochen Suthe im Rahmen seiner Staatsexamensarbeit in Zusammenarbeit mit Theodor Murdfield 1996 entwickelt und ist seitdem fester Bestandteil des
Demonstrationspraktikums für Lehramtsanwärter an der Westfälischen
Wilhelms- Universität in Münster.(2) Um die Schallgeschwindigkeit auch in verschiedenen Gasen bestimmen zu können erweiterte Thorsten Buthe diesen Aufbau durch ein Atmosphärengehäuse.(3) Außerdem wurde durch den Anschluß an ein Meßprogramm von Andreas Naber die Möglichkeit geschaffen, Meßkurven zu speichern und somit genauer zu untersuchen.(4) Mit Hilfe solcher Meßkurven können auch Rückschlüsse auf das Schwingverhalten eines Quarzes gezogen werden.
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1 Vgl. Herzog, W.: Oszillatoren mit Schwingkreisen, S. 1ff, S.301ff
2 Vgl. Suthe, J..: Examensarbeit
3 Vgl. Buthe, T.: Examensarbeit
4 Vgl. Naber, A.: Dissertation
Inhaltsverzeichnis
- 1 Einleitung
- 2 Grundlagen
- 2.1 Der Piezoeffekt
- 2.2 Der 1 MHz Stabschwingquarz
- 2.2.1 Mechanische Eigenschaften
- 2.2.2 Elektrische Eigenschaften
- 2.3 Das Ultraschallinterferometer
- 2.3.1 Allgemeine Funktionsweise
- 2.3.2 Aufbau des verwendeten Interferometers
- 2.3.3 Die Oszillatorschaltung in SMT
- 3 Fragestellung
- 3.1 Schwebungen durch lineare Überlagerung von Wellen
- 3.2 Überlegungen anhand des Spektrums
- 4 Meßmethode
- 4.1 Die Durchführung
- 4.2 Auswertung der Messungen
- 4.2.1 Einfache Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
- 4.2.2 Bestimmung des Winkels
- 5 Analyse der Meßkurven
- 5.1 Schwebung durch Interferenz
- 5.2 Strahlungsintensität
- 5.3 Vergleich der theoretischen Betrachtungen
- 6 Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Hausarbeit befasst sich mit dem Auftreten von Schwebungsphänomenen im Ultraschallfeld eines 1 MHz Stab-Schwingquarzes. Der Fokus liegt auf der Untersuchung der Ursachen dieser Schwebungen und der möglichen Erklärung durch Interferenzphänomene.
- Der Piezoeffekt als physikalisches Grundprinzip des Schwingquarzes
- Die Eigenschaften des 1 MHz Stab-Schwingquarzes, insbesondere seine mechanischen und elektrischen Eigenschaften
- Der Aufbau und die Funktionsweise des Ultraschallinterferometers
- Die Analyse von Schwebungsphänomenen in den Meßkurven des Interferometers
- Die Anwendung von Interferenztheorie zur Erklärung der Schwebungen
Zusammenfassung der Kapitel
- Kapitel 1: Einleitung: Das Kapitel stellt die Relevanz von Silizium und Schwingquarzen in der modernen Technik dar und führt in das Ultraschallinterferometer als Messinstrument ein. Es werden die verschiedenen Erweiterungen des Aufbaus sowie die Zielsetzung der Arbeit erläutert.
- Kapitel 2: Grundlagen: Dieses Kapitel beschäftigt sich mit dem Piezoeffekt als Grundvoraussetzung für die Funktion von Schwingquarzen und stellt die Struktur des SiO2-Kristalls dar. Es werden auch die Eigenschaften des 1 MHz Stab-Schwingquarzes sowie die Funktionsweise des Ultraschallinterferometers beschrieben.
- Kapitel 3: Fragestellung: In diesem Kapitel werden die Ursachen der Schwebungen im Ultraschallfeld untersucht und die Überlegungen anhand des Spektrums dargestellt.
- Kapitel 4: Meßmethode: Hier wird die Durchführung der Messungen im Ultraschallinterferometer sowie die Auswertung der Daten beschrieben, einschließlich der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und des Winkels.
- Kapitel 5: Analyse der Meßkurven: Das Kapitel analysiert die Schwebungsphänomene im Detail, betrachtet die Strahlungsintensität und vergleicht die Ergebnisse mit theoretischen Betrachtungen.
Schlüsselwörter
Die Arbeit beschäftigt sich mit Schwebungsphänomenen, dem Piezoeffekt, Ultraschall, Schwingquarzen, Interferometrie, Strahlungsintensität, Wellenüberlagerung und Spektralanalyse.
- Citation du texte
- Dirk Pigulla (Auteur), 1998, Schwebungsphänomene im Ultraschallfeld des 1 MHz Stab-Schwingquarzes, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/279
