Пьезоэлектричество

Существуют также тела, которые в обычном своём состоянии не имеют поляризации, но приобретают её при механическом сжатии или растяжении. Мы уже знаем, что подобное явление называется пьезоэлектрическим эффектом.

Тела, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, или, как их часто называют, пьезоэлектрики, должны иметь дипольную структуру (или приобретать её при определённых условиях). В противном случае поляризация, а следовательно, и пьезоэлектрический эффект, невозможны.

Взгляните на один из восьми кубиков, образующих элементарную ячейку кристалла поваренной соли (рис. 17, а).

Рис. 17. а) Один из восьми кубиков, входящих в элементарную кубическую ячейку поваренной соли, б) одна из граней кубика элементарной ячейки, в) искажение кубика в результате сжатия.

Он образован четырьмя диполями, состоящими из ионов хлора и натрия. Казалось бы, здесь бесспорно наблюдается дипольная структура. В одном лишь кубике насчитывается четыре диполя. Но этого, оказывается, мало. Необходимо, чтобы весь кубик и элементарная ячейка в целом вели себя как диполь.

Выясним, является ли ячейка кристалла поваренной соли электрическим диполем.

В повседневной жизни мы часто встречаемся с понятием центра тяжести. Сила тяжести, или вес, обусловлена притяжением земли. Любое тело состоит из огромного числа частиц, причём каждая из них обладает своим собственным весом. Таким образом, вес всего тела складывается из множества одинаково направленных сил. Для простоты это множество сил заменяют одной силой, равной их сумме, и прикладывают данную силу к такой точке тела, где бы её действие было равносильно суммарному действию всех отдельных сил. Подобная точка называется центром тяжести. Центр тяжести шара находится в его геометрическом центре, центр тяжести цилиндра расположен на середине оси и т. д.

Система, состоящая из нескольких тел, также обладает центром тяжести. Так, например, центр тяжести двух одинаковых материальных точек (тел, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними) находится посредине прямой, соединяющей эти точки.

Определим центры тяжести ионов натрия и хлора в кристаллической решётке поваренной соли. Рассмотрим одну из граней кубика кристаллической решётки (рис. 17, б). Эта грань представляет собой квадрат, по углам которого расположены два иона хлора и два иона натрия. Центр тяжести двух положительных ионов лежит на середине диагонали, соединяющей эти ионы. Но там же находится и центр тяжести отрицательных ионов, поскольку диагонали квадрата делятся пополам в одной и той же точке — точке их пересечения.

Таким же образом легко показать, что центр тяжести всех положительных ионов, входящих в любой из восьми кубиков элементарной ячейки, совпадает с центром тяжести отрицательных ионов и находится на пересечении диагоналей этого кубика, то есть в его центре симметрии. А это означает, что положительные и отрицательные заряды как бы сосредоточены в одной точке, следовательно, и кубик и ячейка в целом не имеют дипольного момента, то есть не являются электрическими диполями.

Попробуем сжать кристалл поваренной соли. Под воздействием сжатия форма кристаллической решётки искажается, и кубики, образующие элементарную ячейку, принимают вид параллелепипедов (рис. 17, в). Но и в этом случае центры тяжести разноимённых ионов лежат в одной точке. Следовательно, ячейка по-прежнему не является диполем.

Отсюда понятно, что в кристаллах, обладающих центром симметрии, никакие механические воздействия не возбудят электрической поляризации. Иными словами, кристаллы, имеющие центр симметрии, не обладают пьезоэлектрическими свойствами.

Другая картина наблюдается в ацентричных кристаллах. Здесь элементарные ячейки подобны электрическим диполям, поскольку центры тяжести разноимённых ионов, образующих ячейку, не совпадают. В таких кристаллах под воздействием механической силы диполи могут принимать более или менее одинаковые положения, то есть возможна электрическая поляризация.

Таким образом, пьезоэлектрический эффект можно обнаружить только в кристаллах, не имеющих центра симметрии.

А возможны ли пьезоэлектрические явления в металлах — в меди, железе, алюминии и др.?

В кристаллических ячейках металлов нет отрицательных ионов. В каждом атоме металла недостаёт одного или нескольких электронов, поэтому все атомы в металле заряжены положительно, то есть представляют собой положительные ионы. Потерянные атомами электроны беспорядочно блуждают между ионами, переходя из одной ячейки кристаллической решётки в другую. Если подключить кусок металла (например, металлическую проволоку) к какому-либо источнику электричества (гальваническому элементу, аккумулятору и т. д.), то под воздействием электрических сил электроны устремляются к его положительному полюсу. Поток электронов, движущихся в одном направлении, и есть электрический ток. Тела, проводящие электрический ток, называют проводниками.

В кристаллических решётках неметаллических веществ — поваренной соли, кварца, алмаза, янтаря, эбонита и др. — свободные электроны отсутствуют. Поэтому такие вещества не проводят электрического тока и относятся к изоляторам (диэлектрикам).

Поскольку в проводниках отсутствуют разноимённые ионы, там не может быть и электрических диполей, а следовательно, невозможна и поляризация.

Таким образом, пьезоэлектрические явления могут происходить только в диэлектриках.

В развитии теории пьезоэлектрического эффекта огромную роль сыграли работы известных русских учёных А. В. Гадолина (1828–1892 гг.) и Е. С. Фёдорова (1853–1919 гг.), впервые установивших, что физические свойства кристаллов находятся в непосредственной связи со структурной симметрией.

6. Пьезоэлектрические текстуры

Пьезоэлектрические явления свойственны не только монокристаллам. В 1940 г. чл. — корр. Академии наук А. В. Шубников предсказал возможность существования пьезоэлектрических свойств в телах, не являющихся одиночными кристаллами. В 1941 г. гипотеза А. В. Шубникова по его предложению была экспериментально подтверждена А. С. Шеиным.

Мы уже отмечали, что изотропные кристаллические тела состоят из множества отдельных микроскопических кристаликов, расположенных друг относительно друга без всякой закономерности. Но искусственным путём можно повернуть эти кристалики так, чтобы их координатные оси были направлены более или менее одинаково.

В куске литого металла кристаллические зёрна расположены беспорядочно. Однако при протягивании проволоки или прокатке металлических листов кристаллические зёрна дробятся, расплющиваются и поворачиваются так, что элементарные ячейки кристаллической решётки выстраиваются в определённом порядке. Такое явление было впервые обнаружено советскими учёными проф. Н. Е. Успенским и чл. — корр. Академии наук С. Т. Конобеевским.

Многочисленные тела, не являющиеся одиночными кристаллами, но обладающие анизотропией, обусловленной правильной ориентировкой кристаллических зёрен, получили название текстур.

Если отдельные кристалики, образующие текстуру, обладают пьезоэлектрическими свойствами, то и текстура в целом ведёт себя как пьезоэлектрик. Такие текстуры получили название пьезотекстур.

Для изготовления пьезотекстуры не требуется сложного оборудования.

Насыпьте некоторое количество сегнетовой соли в закрытый стеклянный сосуд и поместите его в кипящую воду. После того как сегнетова соль расплавится и примет температуру кипящей воды +100° Ц, откройте сосуд и опустите в него жёсткую волосяную кисть шириной 10–20 мм. Дайте кисти прогреться до температуры расплава, а сами тем временем подготовьте основание, на которое будет наноситься текстура. Для этой цели лучше всего подойдёт кусочек листового металла с тщательно зачищенной поверхностью.

Теперь слегка отожмите кисть и начните наносить расплав на поверхность металла. Штрихи следует накладывать в определённом направлении, проводя кистью по одним и тем же местам несколько раз, пока блеск расплава не изменится, что служит признаком начала кристаллизации.