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.
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.
Как же удалось сделать титанат бария пьезоэлектрическим веществом? Ясно, что для этого нужно было повернуть все кристаллики так, чтобы они были направлены более или менее одинаково. Это было сделано при помощи электрического поля.
В недрах земли титанат бария встречается очень редко, и поэтому его получают искусственным путем. Смесь двух минеральных веществ — углекислого бария и двуокиси титаната — обжигают при очень высокой температуре. Получается желтовато-белая масса, которая по своему виду и механическим свойствам напоминает обыкновенную глину. Этой массе, как и глине, можно придать любые размеры и формы. В то же время она будет механически прочная и нерастворимая в воде, как и любое керамическое изделие. Вот за это сходство с керамикой титанат бария и получил название пьезокерамики.
Чтобы титанат бария приобрел пьезоэлектрические свойства, обожженную массу помещают в сильное электрическое поле, а затем охлаждают. Под воздействием электрического поля происходит поляризация кристалликов титаната бария, их диполи занимают одинаковое положение, а после охлаждения «замораживаются» в этом состоянии.
Замечательными свойствами обладает пьезокерамика. В процессе изготовления ей можно придать любую форму. Но в то же время она чрезвычайно прочна, а главное, не боится влаги. Пьезоэлектрический эффект у титаната бария в 50 раз больше, чем у кварца, а стоимость его в 100 раз меньше. Пьезоэлектрические пластинки из титаната бария можно изготовлять в больших количествах, потому что сырья для этого сколько угодно.
Вы познакомились с основными видами и свойствами пьезоэлектрических веществ, узнали природу пьезоэлектричества. Где же и каким образом используется это явление в военном деле и в народном хозяйстве?
Начало практическому применению пьезоэлектричества было положено работами знаменитого французского ученого Поля Ланжевена. Рассказом об этих работах, которые проходили при весьма любопытных обстоятельствах, мы и продолжим паше знакомство с пьезоэлектричеством.
ПУТЕВКА В ЖИЗНЬ
В самом начале первой мировой войны произошло трагическое событие. Три английских крейсера стали жертвой немецкой подводной лодки. Они были потоплены один за другим почти одновременно. Так начали действовать подводные лодки — новая грозная и активная сила в войне на море.
Успешность боевых действий подводных лодок непрерывно росла. Особенно усердствовали немецкие подводники. Не проходило и недели, чтобы немецкие подводные пираты не пускали ко дну французский или английский корабль. Но наибольшее число потерь было среди безоружных транспортов и пассажирских судов. Поэтому такие государства, как Англия и Франция, экономика которых почти целиком зависела от морских перевозок, приложили немало усилий для организации борьбы с подводными лодками.
Самое худшее заключалось в том, что подводные лодки были невидимы и надводные корабли не успевали принять меры к защите. Ведь подводную лодку в подводном положении можно обнаружить невооруженным глазом в исключительно прозрачной воде на глубинах не более 10–15 метров, находясь над нею, а на больших глубинах и ночью лодка совершенно невидима.