Страница 4 из 15
В результате смещения зарядов центры тяжести разноименно заряженных частиц уже не будут совпадать. А это значит, что образовался электрический диполь. Поскольку в диэлектрике образуется множество таких диполей и все они своими полюсами направлены! в одну сторону, то это равносильно тому, что весь диэлектрик превратился в электрически заряженный конденсатор. Это- явление и называется поляризацией диэлектрика.
В природе, оказывается, существуют такие вещества, которые и без воздействия электрического поля имеют дипольную структуру. Они получили название полярных диэлектриков, к которым и относятся пьезокристаллы.
Каждая ячейка пространственной решетки любого пьезокристалла представляет собой электрический диполь. Этот диполь образован центрами тяжести групп отрицательных и групп положительных частиц, составляющих ячейку. Центры тяжести групп разноименно заряженных частиц в ячейке не совпадают потому, что пьезокристаллы не имеют центра симметрии.
Таким образом, пьезокристаллы полярны из-за отсутствия центра симметрии. Кристаллы, имеющие центр симметрии, неполярны и поэтому не могут быть пьезоэлектрическими.
Посмотрите на ячейку-кубик кристалла поваренной соли. Она представляет собой правильный куб с шестью квадратными гранями. Центр симметрии такого куба находится в точке пересечения диагоналей. В вершинах куба расположены четыре отрицательных иона хлора и четыре положительных иона натрия. Как положительные, так и отрицательные ионы расположены одинаково относительно центра куба. А это значит, что центры тяжести положительных и отрицательных групп ионов находятся в одной точке — в центре куба, т. е. в центре его симметрии.
Попробуйте мысленно сжать ячейку-кубик кристалла поваренной соли. Кубик превратится в параллелепипед (рис. 8). Но и в этом случае центры тяжести положительных и отрицательных групп ионов будут лежать в одной точке. Следовательно, и в нормальном состоянии, и при механическом воздействии кристалл поваренной соли не имеет дипольной структуры, значит, он не полярный.
В кристаллах, не имеющих центра симметрии, вы будете наблюдать другую картину. Если подвергать такие кристаллы сжатию или растяжению, то под воздействием механической силы электрические диполи будут занимать определенное положение, в результате чего возникает электрическая поляризация (рис. 9).
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).
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.