Александр Плонский - Пьезоэлектричество

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.

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.

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.