Спартак Ахметов - Беседы о геммологии

Однако что же преобразует электромагнитный сигнал в акустический? Разумеется, кварц!

В 1880 году французские ученые и братья Поль Жан Кюри и Пьер Кюри экспериментировали с кристаллами горного хрусталя. Они подсоединили его к гальванометру и подвергли разнообразным сжатиям и растяжениям. В общем-то опыты могут показаться довольно безумными. Ведь не может в диэлектрике, каковым является кварц, возникнуть электрический ток! Тем не менее стрелка гальванометра двинулась. Причем если кристалл сжимали, то на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, возникали разноименные электрические заряды: на одной грани положительные, на другой — отрицательные. При этом стрелка гальванометра двигалась вправо. Если же кристалл растягивали, то стрелка гальванометра двигалась влево, так как грани перезаряжались.

Открытое явление было названо пьезоэлектричеством (пьезо по-гречески — давлю). Позднее братья Кюри обнаружили, что пьезоэлектрический эффект обратим. Когда на гранях кристалла создавали разноименные электрические заряды, то он либо сжимался, либо растягивался, в зависимости от положения зарядов.

Вернемся к цветному телевизору и акустическим линиям задержки. Принцип их работы заключается вот в чем. Электромагнитный сигнал с помощью пластинки из пьезокварца преобразуется в звуковой и задерживается в звукопроводе на необходимое время. Следующая пластинка вновь возвращает сигнал в электромагнитный диапазон. Размеры звукопровода не должны зависеть от колебаний температуры. Материал с нулевым коэффициентом термического расширения нам уже известен — это кварцевое стекло с примесью оксида титана. Таким образом, в современных цветных телевизорах работают две модификации кремнезема — кварц и кварцевое стекло.

Попутно расскажем о пироэлектричестве. По преданию, его открыл древнегреческий философ Фалес (624–547 гг. до н. э.). Философ много путешествовал по странам Востока, предсказал солнечное затмение в 585 году до н. э. Считают, что именно он обнаружил способность янтаря после натирания притягивать птичий пух и соломинки (электризация трением). Достоверный рассказ об этом впервые описан в книге «Тимей» другого древнегреческого философа — Платона (427–347 гг. до н. э.). Бируни в своей «Минералогии» цитирует стихи, в которых говорится о том же:

В 1757 году явление пироэлектричества в кристаллах драгоценного турмалина описал русский физик Эпинус. Он же впервые объяснил явление поляризации. Через 127 лет ученый мир был поражен опытом Кундта. Немецкий ученый опылил нагретый кристалл турмалина порошкообразной смесью серы и сурика, пропущенной через шелковое сито. При трении о шелк частички серы заряжались отрицательно, частицы сурика — положительно. Поэтому один конец турмалина окрасился в желтый цвет серы, а другой — в красный цвет сурика. Не правда ли, весьма наглядный опыт? Тем более что при охлаждении кристалла полюса поменялись местами, изменив окраску.

По современным данным, в кристалле самоцветного турмалина при изменении температуры на один кельвин возникает электрическое поле напряженностью 400 вольт на сантиметр. Как и все пироэлектрики, турмалин является также и пьезоэлектриком. Это правило не имеет обратной силы, то есть не все пьезоэлектрики обнаруживают пироэлектрические свойства.

Расскажем о возможном применении пьезокварца в будущем. Считается, что гравитационные волны (если они существуют) распространяются быстрее света. Заманчиво было бы использовать их для дальней космической связи. Но где же взять детектор для улавливания волн? Английский ученый Бонди указывал, что если перед фронтом волны расположены какие-то материальные точки, то они будут непременно расходиться под действием энергии волны. Далее прочитаем выдержку из научно-фантастической повести С. Ахметова «Сигналы жизни»:

«Любопытно, черт побери, — думал Камилл. — Если в качестве материальных точек использовать атомы кварца, то на фронте волны они будут стремиться к расхождению. При этом вследствие пьезоэффекта возникает электрический ток. А уж его можно зафиксировать гальванометрами… С помощью достаточно массивного кристалла можно даже уловить гравитационное излучение. Ну конечно, это же эксперимент Вебера! Американский ученый использовал полуторатонный цилиндр с вмонтированными по длине кварцевыми пьезодатчиками… Помнится, Вебер отметил несколько всплесков гравитационного излучения. Однако многие физики нашли в эксперименте изъяны. Так до сих пор и неясно — есть гравитационное излучение или его нет. На этот вопрос может ответить монокристалл кварца весом в тонну. Но как его вырастить?..»

Акустические линии задержкипригодились во многих отраслях современной техники. Радиолокация, навигационная техника, кодирующие и запоминающие устройства в ЭВМ, космическая техника не могут обойтись без них. Во многих случаях кварцевое стекло в качестве звукопровода не годится.

Есть такой анекдот. «Однажды ходжа Насреддин поднялся на минарет и закричал изо всех сил. Потом, быстро спустившись с минарета, побежал в поле. Все, кто видел его, спрашивали:

— Ходжа, что случилось, куда ты бежишь?

— Бегу, — ответил ходжа, — чтобы узнать, до какого места доходит мой голос».

Остроумец ходжа Насреддин мог убедиться, что звук его голоса затухает в воздухе, пройдя две сотни метров. В кварцевом стекле ультразвук затухает на протяжении сантиметров. Требовался материал более упругий, чем стекло. Им оказался все тот же кварц. На его основе изготовлены линии задержки, по которым бегут акустические волны с частотой в сотни мегагерц.

Настоящую революцию в техническом применении кварца совершила работа советского ученого К. Н. Баранского. Во время войны он был радиоразведчиком. А в мирное время, работая доцентом МГУ, занимался изучением звуковых колебаний. В 1957 году Баранский доказал, что в линиях задержки пьезокварцевые преобразователи не нужны. Акустические волны можно возбудить непосредственно на поверхности монокристаллов кварца. В результате частота генерируемых волн подскочила сразу до десяти гигагерц. Через некоторое время американские ученые увеличили эту цифру в десять раз.

В 1885 году Джон Рэлей предсказал существование упругих возмущений, распространяющихся в твердом теле вдоль его свободной границы и затухающих с глубиной. Простейшим случаем волн Рэлея, или поверхностных акустических волн, являются волны на земной поверхности, возникающие во время землетрясений. В последние годы широкое распространение получили устройства, работающие на таких волнах.