В. Рачков - Чудесные кристаллы
Итак, причиной поляризации кристаллов является отсутствие центра симметрии, или дисимметрия кристаллов. К этому выводу и пришли братья Кюри, изучая поляризацию кристаллов.
К этому времени были уже открыты основные законы кристаллографии и свойства кристаллов были изучены довольно хорошо. Было известно, что все монокристаллы можно разделить на две группы — кристаллы, имеющие центр симметрии, и кристаллы, не имеющие его. Проводя опыты над различными группами, братья Кюри заметили, что пироэлектричество, т. е. выделение электрических зарядов на поверхности кристаллов при их нагревании, наблюдается только у кристаллов, не имеющих центра симметрии. Следовательно, дисимметрия кристаллов и является причиной образования электрических зарядов.
А можно ли другим путем выделить электрические заряды, например, сжав или растянув кристалл? Ведь сжатие и растяжение сопутствуют охлаждению и нагреванию тела. Произойдет ли в этом случае поляризация?
Был проделан опыт. Тонкую прямоугольную пластинку, вырезанную из кристалла кварца, расположили между двумя пластинками из оловянной фольги. Пластинки из фольги служили электродами, к которым был присоединен прибор для обнаружения электрических зарядов — электрометр. При сжатии кварцевой пластинки стрелка электрометра отклонялась в одну сторону, при растяжении — в другую. А это означало, что при сжатии на одном электроде возникал положительный электрический заряд, на другом — отрицательный. При изменении направления механического давления, т. е. при растяжении, знаки электрических зарядов на электродах менялись на обратные. При этом чем больше была сила давления, тем больше была и величина возникающих зарядов. Такое явление было названо прямым пьезоэлектрическим эффектом (рис. 10).
Рис. 10. Прямой пьезоэлектрический эффект
Рис. 11. Обратный пьезоэлектрический эффект
Братьями Кюри был открыт и обратный пьезоэлектрический эффект (рис. 11). Он заключается в следующем. Если к точно такой же кварцевой пластинке, снабженной электродами, присоединить источник электричества, т. е. поместить пластинку в электрическое поле, то толщина ее изменится: пластинка либо сожмется, либо растянется. Сжатие и растяжение происходит в зависимости от полярности заряда. Чем большая величина электрических зарядов будет сосредоточена на электродах, т. е. чем сильнее действует электрическое поле, тем больше будет меняться толщина пластинки. Изменение ее толщины часто называют деформацией.
Братья Кюри также доказали, что пьезоэлектрическими свойствами обладают и другие кристаллы, не имеющие центра симметрии: сахар, цинковая обманка, турмалин, винная кислота, топаз, сегнетова соль и другие.
Смелое научное предположение, сделанное братьями Кюри, о том, что кристаллы, не имеющие центра симметрии, способны выделять электрические заряды, полностью подтвердилось. Так было открыто пьезоэлектричество.
ПЬЕЗОКРИСТАЛЛЫ
Впервые пьезоэлектрические свойства были обнаружены у кристалла кварца. Вам, наверное, приходилось любоваться прозрачными и, бесцветными, похожими на лед, кристаллами горного хрусталя. А это и есть одна из разновидностей кварца. В древности так и считали, что горный хрусталь и лед — одно и то же, только лед замерзает у нас на глазах, а горный хрусталь при очень большом морозе. Это, конечно, неверно, и сейчас так никто не думает. Уже давно установлено, что лед — кристалл воды, состоящий из водорода и кислорода, а составными частями горного хрусталя являются кислород и кремний.
Помимо горного хрусталя, кварц встречается почти в двухстах разновидностях. Тут и золотисто-желтый цитрин, кроваво-красный сердолик, красновато-коричневый с золотым отливом авантюрин, фиолетовый аметист. Почти одна десятая часть земной коры приходится на различные виды кварца. Даже обыкновенный песок состоит главным образом из кварцевых зерен.
Кварцу присущи разнообразные свойства, и поэтому он широко применяется в науке и технике. Если обычное стекло, например, задерживает ультрафиолетовые лучи, то кварц пропускает их. Это свойство используется медициной для лечения «горным солнцем», а также в оптике, где из кварца изготовляют призмы и линзы для астрономических и других оптических приборов.
Кварц тверд, прочен, упруг и тугоплавок. Посуда из кварцевого стекла останется невредимой, если раскалить ее докрасна и сразу погрузить в ледяную воду. Кварц устойчив почти ко всем кислотам и плохо проводит электрический ток. Но самыми замечательными являются, как вы уже знаете, пьезоэлектрические свойства кварца.
Рис. 12. Кристалл кварца
Взгляните на кристалл кварца (рис. 12). Он имеет вид правильной шестигранной призмы, которая оканчивается шестигранными пирамидами. Мысленно проведите линию, соединяющую вершины пирамид. Это будет одна из осей симметрии кристалла кварца. Назовем ее главной осью. Если провести линию через противоположные углы призмы и так, чтобы она была перпендикулярна главной оси, то получим так называемую электрическую ось. Всего у кристалла кварца три электрические оси.
Свойства кварца, в том числе и пьезоэлектрические, различны именно вдоль этих направлений. Вдоль главной оси эти свойства одни, а вдоль электрических осей совершенно другие.
Чтобы получить пьезоэлектрический эффект, необходимо из целого кристалла кварца вырезать тонкую пластинку. Но из кристалла можно вырезать пластинки под любыми углами к осям. И все они будут обладать разными пьезоэлектрическими свойствами.
Как же правильно вырезать пластинку? Оказывается, что наибольшим пьезоэлектрическим эффектом обладает пластинка, вырезанная из кристалла так, чтобы ее поверхность была перпендикулярна одной из электрических осей. Пластинка, вырезанная в другом направлении, будет обладать меньшими пьезоэлектрическими свойствами, а пластинка, вырезанная параллельно электрическим осям, вообще не обнаруживает этих свойств.
Кварц хотя и твердый кристалл, но очень хрупок. Он может выдерживать действие очень большой силы но ломается при резком ударе. Однако главный недостаток кварца не в этом. Непрерывно развивающаяся пьезоэлектрическая техника требует все больше и больше этого минерального сырья. При этом требуется не любая разновидность кварца, а горный хрусталь самого высокого качества — без пузырьков, трещин и посторонних минералов. Такие кристаллы встречаются редко. Но и из них используется лишь небольшая часть, остальное теряется в отходах. Поэтому природный пьезокварц ценится лишь немного ниже золота.
Сравнительно недавно наши ученые начали искусственно выращивать кристаллы кварца необходимых размеров. Правда, растут эти кристаллы очень медленно и пока дороги.
Ученые обратились к другим веществам и в первую очередь к кристаллам сегнетовой соли, пьезоэлектрические свойства которой были открыты братьями Кюри. До этого сегнетова соль широко применялась в медицине. Впервые ее получил из солей винной кислоты французский аптекарь Сегнет.
Познакомимся поближе с этим веществом. Сегнетова соль удобна тем, что ее кристаллы (рис. 13) легко выращиваются искусственным путем и легко обрабатываются. Кристалл сегнетовой соли можно разрезать обыкновенной ниткой, смоченной водой. Мокрая нитка при своем движении быстро растворяет кристалл, углубляясь в него..
Сегнетова соль по сравнению с другими пьезокристаллами, в том числе и кварцем, обладает значительно большим пьезоэлектрическим эффектом. Самое ничтожное механическое воздействие приводит к появлению на электродах электрических зарядов.
Однако сегнетовой соли свойственны и серьезные недостатки, которые ограничивают ее практическое применение. Это в первую очередь низкая температура плавления (около 60°), при которой сегнетова соль теряет свои пьезоэлектрические свойства и уже больше не восстанавливает их. Сегнетова соль растворяется в воде и, следовательно, боится влаги. Кроме того, она непрочна и не выдерживает больших механических нагрузок.
Рис. 13. Кристалл сегнетовой соли
Долгое время искали заменитель сегнетовой соли, который был бы близок к ней по пьезоэлектрическим свойствам и не имел бы ее недостатков. И такой заменитель был найден. Сделали это советские ученые под руководством члена-корреспондента Академии наук СССР Б. М. Вула. Титанат бария — так называется это вещество, наделенное удивительными и ценными свойствами.
Титанат бария не является монокристаллом, как кварц и сегнетова соль. Это поликристалл, состоящий из большого числа сросшихся между собой кристалликов. Каждый из кристалликов не имеет общего центра симметрии отрицательных и положительных зарядов, и поэтому он пьезоэлектрический (рис. 14). Но в обычном состоянии все кристаллики расположены один относительно другого без всякой закономерности, беспорядочно. А это означает, что все вещество в целом не обладает пьезоэлектрическими свойствами.
