Александр Плонский
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Введение
В этой книге рассказывается о природе и практическом применении одного из интереснейших явлений природы, которое получило название пьезоэлектрического эффекта.
Это явление было впервые обнаружено ещё в конце прошлого века, но в течение десятков лет его считали своеобразным научным «курьёзом», не имеющим какой-либо практической ценности. Однако впоследствии оказалось, что такая оценка была неверной. Умелое использование пьезоэлектрического эффекта позволило решить целый ряд научных и технических проблем. В наши дни приборы, построенные на использовании пьезоэлектричества, применяются во многих отраслях промышленности и народного хозяйства, таких, как авиация, железнодорожный и автомобильный транспорт, машиностроение, радиотехника, электротехника, акустика, астрономия, биология, гидрология, медицина, метеорология и т. д.
На примере пьезоэлектричества видно, что, каким бы на первый взгляд отвлечённым ни казалось научное открытие, оно находит своё практическое применение.
Чистой науки, о которой лицемерно твердят некоторые буржуазные учёные, нет. Наука плодотворна лишь тогда, когда она неразрывно связана с практикой. Наша материалистическая наука, вооружённая передовым марксистско-ленинским мировоззрением, носит целеустремлённый характер, имеет своей прямой целью дальнейшее укрепление народного хозяйства нашей Родины.
В этой небольшой книге рассказывается о пьезоэлектричестве. Чтобы понять его природу, необходимо предварительно познакомиться со строением и свойствами окружающих нас предметов.
1. Строение вещества
Нас окружает множество различных тел. Любое из них — микроскопическая пылинка и гигантский утёс, вода и воздух, металл и стекло — состоит из вещества. Вещество построено из чрезвычайно мелких частичек — атомов различных химических элементов. В большинстве веществ атомы объединяются между собой в более крупные частицы — молекулы. Размеры атомов ничтожно малы: они не превышают нескольких стомиллионных долей сантиметра.
Учёные установили, что атомы имеют сложное строение и состоят из мельчайших электрически заряженных частиц. В центре любого атома находится положительно заряженное ядро. Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные частички — электроны, образующие электронную оболочку атома. Диаметр этой оболочки приблизительно в 100 000 раз больше диаметра ядра.
В своём обычном состоянии атом электрически нейтрален. Это значит, что положительный заряд ядра уравновешен отрицательными зарядами электронов.
Атомы различных химических элементов (например, атомы водорода, натрия, кремния и т. д.) отличаются друг от друга числом электронов, а также весом и зарядом ядра. На рис. 1 схематически показана структура некоторых атомов.
Рис. 1. Упрощённая схема строения атомов водорода, углерода и серы.
Если из электронной оболочки атома каким-нибудь образом удалить один или несколько электронов, то равновесие положительных и отрицательных зарядов в атоме нарушится, в результате чего он уже не будет электрически нейтрален. Поскольку в этом случае положительный заряд больше отрицательного, атом в целом окажется заряженным положительно. Такой атом называют положительным ионом. Если, напротив, добавить в электронную оболочку атома один или несколько электронов, то он приобретёт отрицательный заряд и превратится в отрицательный ион. Чтобы ионизовать атом, необходимо затратить работу на преодоление связывающих его электрических сил. Это может быть достигнуто многими способами, например, путём нагревания.
Атомы и молекулы располагаются либо в определённом, строго закономерном, порядке, либо беспорядочно.
Все твёрдые тела, то есть тела, способные сохранять форму, по их строению можно разбить на две группы.
Одни тела состоят из частиц, в которых атомы и молекулы размещены геометрически правильно, стройными рядами. Такие тела называют кристаллическими. Это название произошло от древнегреческого слова «кристаллос», обозначавшего лёд, а также и прозрачный бесцветный кварц (горный хрусталь), который ошибочно считался окаменелым льдом. В группу кристаллических тел помимо кварца входят металлы, лёд, слюда и др.
Если нагревать какое-нибудь кристаллическое тело, например кусочек олова, то оно расплавится при вполне определённой температуре, характерной для данного вещества. В момент плавления геометрически правильное расположение атомов нарушается.
Телам, относящимся к другой группе, таким как стекло, смола или столярный клей, всегда свойственно беспорядочное размещение атомов. Подобные тела называют аморфными. В отличие от кристаллических они не имеют определённой температуры плавления и затвердевания, при нагреве постепенно размягчаются, утрачивают форму и переходят в жидкое состояние. Поскольку при этом характер расположения атомов в веществе остаётся прежним, то ясно, что аморфные тела не являются истинно твёрдыми, а относятся скорее к переохлаждённым жидкостям.
Характер пространственного расположения атомов как в кристаллических, так и в аморфных телах можно установить с помощью рентгеновских лучей, которые широко применяются для просвечивания человеческого организма.
2. Кристаллы
Кристаллическим веществам свойственно вполне определённое расположение атомов и молекул, которое называют кристаллической решёткой.
Взгляните на рис. 2. На нём изображена кристаллическая решётка поваренной соли. Ионы натрия и хлора, из которых состоит поваренная соль, размещены как бы по углам кубов, соприкасающихся своими гранями.
Рис. 2. Расположение ионов в кристалле поваренной соли.
Восемь таких кубиков образуют элементарную ячейку поваренной соли. Множество элементарных ячеек в совокупности даёт кристаллическую решётку.
Один и тот же химический элемент может образовать разные вещества с различными формами кристаллических решёток. При этом такие вещества, имея одинаковый химический состав, нередко обладают совершенно противоположными свойствами. Так, например, алмаз и графит состоят из атомов углерода, но характер расположения атомов в этих веществах различен. Поэтому они по своим физическим свойствам совсем непохожи друг на друга. Графит мягок, имеет чёрную матовую окраску. Алмаз же прозрачен и так твёрд, что им режут стекло.
Кристаллические тела бывают двух видов. Одни из них, имеющие от природы форму многогранников — кубов, пирамид и т. п., — получили название монокристаллов (или просто кристаллов). Другие кристаллические тела не имеют многогранной формы, но если рассмотреть их под микроскопом, то можно заметить, что они состоят из множества мелких, сросшихся между собой монокристаликов. Такие тела называют поликристаллическими.
Большинство горных пород, а также все металлы, относятся к поликристаллическим телам.
Размеры монокристаллов бывают различными. У поваренной соли и сахарного песка кристаллы не больше булавочной головки, кристаллы кварца по величине иногда достигают человеческого роста (рис. 3).
Рис. 3. Такой величины достигают кристаллы кварца.
Распространённость кристаллических веществ в природе чрезвычайно широка. Драгоценный изумруд и обыкновенная слюда, огромные глыбы льда и крошечные снежинки относятся к миру кристаллов. Лишь очень немногие твёрдые тела имеют аморфную структуру, но и они с течением времени обычно начинают кристаллизоваться.
Так, можно наблюдать помутнение стекла. Это происходит в результате образования в стекле кристаликов.
Если сравнить между собой кристаллы разных веществ, то легко заметить, что их форма различна. Например, кристалл поваренной соли имеет форму куба (рис. 4, а). Кварц кристаллизуется в виде заострённых на концах шестигранных призм (рис. 4, б).