Александр Плонский - Пьезоэлектричество

Созревание игольчатых кристаликов в текстуре происходит несколько дней, после чего в ней можно обнаружить пьезоэлектрический эффект.

В годы Великой Отечественной войны сотрудники Физического института им. Лебедева Академии наук СССР под руководством чл. — корр. Академии наук Б. М. Вула открыли новый вид пьезоэлектрической текстуры — пьезокерамику.

Тщетно вы будете искать пьезоэлектрические свойства в осколке обыкновенной фарфоровой чашки. Фарфор — белая глина, прошедшая обжиг, — не является текстурой. Кристаллические решётки в различных кристаликах фарфора направлены по-разному.

Но если вязкую фарфоровую массу перед обжигом поместить между электродами, на которых сосредоточены большие электрические заряды, то под действием электрических сил ионы во всех кристаликах займут одинаковые положения. Именно таким путём получают и электреты, о которых говорилось выше.

Однако одинаковой ориентировки ионов во всех кристаллических зёрнах ещё недостаточно для того, чтобы текстура обладала пьезоэлектрическими свойствами. Необходимо, чтобы каждый кристалик в отдельности был пьезоэлектриком. Но обычный фарфор состоит из зёрен, не имеющих пьезоэлектрических свойств. Перед учёными встала сложная задача: найти вещество, которое, во-первых, способно образовать керамику и, во-вторых, является пьезоэлектриком. И такое вещество — титанат бария — было найдено.

Замешивая пьезоэлектрические кристалики в резину и пластические массы, можно придать этим веществам, в обычном состоянии изотропным, свойства пьезоэлектриков.

До сих пор мы говорили об искусственных текстурах. Но текстуры и, в частности, пьезотекстуры встречаются также и среди природных материалов. Возьмите, например, дерево. Мы уже отмечали, что оно анизотропно. Более того, древесине, оказывается, присущи пьезоэлектрические свойства. Дерево — пьезоэлектрик. Это свойство древесины было открыто А. В. Шубниковым. Открытие А. В. Шубникова представляет большой теоретический интерес, ибо оно доказывает, что если не сами древесные волокна, то какие-то их составные части относятся к числу пьезоэлектрических веществ.

Мы рассмотрели основные свойства пьезоэлектриков, познакомились с природой пьезоэлектрического эффекта. Познакомимся теперь с важнейшими применениями этого замечательного явления. Начнём с рассказа о том, как пьезоэлектричество впервые получило путёвку в жизнь.

Во время первой мировой войны французское правительство обратилось к известному учёному физику Ланжевену с предложением найти эффективный способ дальнего обнаружения германских подводных лодок.

Для этой цели Ланжевен решил использовать ультразвуковые волны.

Со звуками человек встречается на каждом шагу. Музыка, речь, шум мчащегося поезда, щебетание птиц — всё это примеры различных звуков. Их очень много, порой они кажутся совсем непохожими друг на друга. Что общего, на первый взгляд, между раскатами грома и соловьиными трелями? И тем не менее, природа всех без исключения звуков одинакова.

Внимательно наблюдая за звучащей струной, нетрудно заметить, что она колеблется. Приложив руку к рупору работающего радиорепродуктора (громкоговорителя), также можно легко обнаружить, что он дрожит в такт звуку — в паузах между словами колебания рупора едва заметны, а во время речи они резко возрастают.

Подобные наблюдения показывают, что источниками звука являются колеблющиеся тела: голосовые связки людей или животных, струны музыкальных инструментов, движущиеся части машин и т. п.

Зажмите в тиски тонкую стальную пластинку (рис. 18).

Рис. 18. Колебания тонкой стальной пластинки .

Отведите в сторону выступающий над тисками конец пластинки, а потом отпустите его. Пластинка начнёт колебаться. В зависимости от длины выступающей части будет слышен более низкий или более высокий тон. Чем длиннее свободная часть пластинки, тем реже будут колебания и ниже звук. Таким образом, высота звука зависит от числа колебаний тела в единицу времени (например, в секунду), или, как говорят иначе, от частоты колебаний.

Опыты показали, что человеческое ухо различает звуки, создаваемые телами, которые колеблются с частотой от 16–30 до 18 000-20 000 колебаний в секунду. Так, например, постепенно увеличивая длину свободной части зажатой в тисках пластинки, нетрудно убедиться, что при определённой длине звуки перестают быть слышимыми, хотя пластинка колеблется.

Неслышимые звуки с частотой выше 20 000-30 000 колебаний в секунду называются ультразвуками.

Из повседневного опыта мы знаем, что звук способен распространяться на значительные расстояния. Раскаты грома и орудийную канонаду можно услышать за десятки километров, а грохот мощных взрывов даже за сотни. Как это происходит?

Опустите в воду конец палки и начните её раскачивать. Во все стороны от палки побегут волны. На первый взгляд может показаться, что вместе с волнами бежит и вода. Но если приглядеться к мелким щепочкам и клочкам бумаги, плавающим на воде, то легко заметить, что они не движутся с волнами, а лишь качаются на одном месте, периодически поднимаясь и опускаясь. Такое же колебательное движение совершают и частицы воды, причём по мере распространения волн начинают колебаться частицы, всё более и более удалённые от источника колебаний.

Подобные явления происходят и в воздухе, только воздушные волны нельзя увидеть.

Если поместить под стеклянный колпак какой-нибудь источник звука, например электрический звонок, и начать выкачивать из-под колпака воздух, то при этом звук звонка будет становиться всё слабее и слабее. Если бы мы могли выкачать из-под колпака весь находящийся там воздух, то звук вовсе не был бы слышен. Значит, в пустоте звуковые волны распространяться не могут.

Для того чтобы звук мог распространяться, необходима какая-либо материальная среда — воздух, вода, дерево, железо и т. д., — частицы которой могут приходить в колебательное движение.

Не все среды одинаково хорошо проводят звук. Чем более упруго и менее вязко вещество, тем меньшее сопротивление оказывает оно колебаниям частиц, тем ниже потери энергии при колебаниях и тем лучше распространяется звук. Так, например, в воде звуковая волна затухает медленнее, чем в воздухе; поэтому по воде звук может распространяться на большие расстояния. Ещё лучше распространяется звук по металлу. Приложив ухо к железнодорожному рельсу, можно услышать шум приближающегося поезда задолго до того, как этот шум станет слышен по воздуху. Это объясняется не только более высокой упругостью металла, но и большей скоростью, с какой звуковая волна движется по металлическим рельсам. Так, если скорость звука в воздухе равна приблизительно 340 метрам в секунду, то при распространении волны в воде она возрастает до 1440 м/сек , а в стали — до 5810 м/сек .