Пьезоэлектричество

4. Кристалл кварца

Мы познакомились с общими свойствами кристаллов.

Рассмотрим теперь частный случай — свойства кристалла кварца, который является типичным представителем ацентричных кристаллов.

Кварц представляет собой одну из разновидностей кремнезёма; он составляет около 12 % земной кары и встречается в виде песка, бесформенной гальки и монокристаллов. Месторождения кристаллов кварца в СССР находятся на Урале, в Средней Азии, на Кавказе, в Забайкалье и других местах.

Кварцевые кристаллы имеют различную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы кварца, как мы уже упоминали, называют горным хрусталём. Прозрачные кристаллы фиолетового цвета известны под названием аметистов, а жёлтого — цитринов. Встречаются также полупрозрачные дымчатые и даже совершенно чёрные кварцевые кристаллы.

Окраска кварца не зависит от его кристаллической структуры. Она обусловлена примесями красящих веществ.

Кристаллы кварца обладают рядом замечательных свойств.

Кварц очень твёрд. По твёрдости он уступает лишь алмазу, корунду и топазу. Прочность и упругость кварца также весьма высоки. Чтобы разорвать кварцевый кристалл с поперечным сечением в один квадратный сантиметр, необходимо приложить силу около тысячи килограммов. При этом в момент разрыва кристалл становится длиннее всего лишь на одну тысячную долю своей первоначальной длины. Для сравнения отметим, что свинцовый стержень перед тем как разорваться, удлиняется почти вдвое.

Чтобы раздавить кварцевый кубик объёмом в один кубический сантиметр, нужно положить на его поверхность груз весом в несколько тонн.

Кварц очень плохо проводит электрический ток и незначительно расширяется при нагреве.

Если кварцевый кристалл нагреть до 1500–2000 градусов, он расплавится. Тогда из кварца, как из обычного стекла, можно изготовлять бокалы, трубки, посуду для лабораторных опытов и т. д. По виду такая посуда не отличается от стеклянной. Однако хрустальный бокал можно раскалить докрасна и затем бросить в ледяную воду — это не причинит ему ни малейшего вреда. А обычный стеклянный стакан нередко лопается, когда в него наливают кипяток.

Кварц химически устойчив. Он не растворяется ни в одной из кислот за исключением плавиковой[2]. При высоких температурах и давлениях кварц растворяется в водном растворе соды.

Каждое лето многие из нас загорают на солнце. Загар образуется в результате действия на кожу невидимых ультрафиолетовых лучей, содержащихся в солнечном свете. Но тщетно пытались бы мы загореть от света обычной электрической лампы — простое стекло, из которого делаются баллоны ламп, не пропускает этих лучей. Если же баллон лампы изготовить не из стекла, а из плавленного кварца, то её свет также будет вызывать загар, так как кварц свободно пропускает ультрафиолетовые лучи.

Кварцевые лампы широко используются в медицине; их часто называют горным или искусственным солнцем.

Но самое интересное свойство кварцевых кристаллов было обнаружено в конце прошлого века, в 1880 г., французскими учёными-физиками Пьером и Жаком Кюри. Это открытие состояло в следующем.

Если из кварцевого кристалла вырезать пластинку (рис. 13) так, чтобы её большие грани были перпендикулярны координатной оси х, и поместить эту пластинку между двумя металлическими пластинами (электродами), то при сжатии кварцевой пластинки в направлении оси х на электродах появятся равные по величине, но различные по знаку заряды.

Рис. 13. Кварцевая пластинка.

Это можно заметить, присоединив к электродам электрометр — прибор для обнаружения электрического заряда (рис. 14, а).

Изменим направление механической силы, воздействующей на пластинку, — вместо того, чтобы сдавливать кварц, начнём растягивать его; при этом знаки зарядов на электродах изменятся: на том электроде, где при сжатии возникал положительный заряд, при растяжении появится отрицательный, и наоборот. Стрелка электрометра отклонится в обратную сторону (рис. 14, б).

Рис. 14. Так обнаруживается пьезоэлектрический эффект.

Чем больше сила, сжимающая или растягивающая пластинку, тем больше и величина зарядов, возникающих на электродах, тем сильнее отклоняется стрелка электрометра.

Такое явление и было названо пьезоэлектрическим эффектом. Приставка «пьезо» происходит от греческого слова «давить», а термин «пьезоэлектричество» обозначает электричество, возникающее в результате давления.

Пьезоэлектрический эффект проявляется особенно ярко, если кристаллы кварца сжимать или растягивать в направлении электрической оси х. В направлении же главной оси z пьезоэлектрические явления отсутствуют.

Если электроды кварцевой пластинки подключить с помощью металлических проводников к какому-либо источнику электричества, например, к гальваническому элементу или аккумулятору, то произойдёт явление, обратное описанному выше: под действием электрических зарядов кварцевая пластинка сожмётся, либо, наоборот, растянется в зависимости от того, на каком электроде сосредоточены положительные заряды и на каком — отрицательные. При этом пластинка сожмётся или растянется тем сильнее, чем больше величина электрических зарядов, сосредоточенных на электродах. Такое явление носит название обратного пьезоэлектрического эффекта.

Сдавливая или растягивая пластинку, мы производим определённую работу, расходуем механическую энергию.

Но энергия не пропадает даром и не исчезает бесследно, она только превращается из одного вида в другие. Это закон природы. В случае прямого пьезоэлектрического эффекта значительная часть энергии из механической формы переходит в электрическую. А при обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит переход электрической энергии элемента или аккумулятора в механическую энергию сжатия либо растяжения пластинки.

Таким образом, благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам кварцевый кристалл может быть использован в качестве преобразователя механической энергии в электрическую, и наоборот. На такой возможности и основаны многочисленные применения пьезокварца, которые будут описаны ниже.

Исследования показали, что пьезоэлектрический эффект наблюдается не только в кварце, но и в некоторых других веществах, например, в кристаллах сахара, турмалина (минерал сложного состава, содержащий бор), сегнетовой соли, которая получается из отходов виноделия, и т. д. В кристаллах же многих других веществ пьезоэлектрических явлений обнаружить не удалось.

Какова же природа пьезоэлектрического эффекта? Чем объясняется то, что он наблюдается в одних кристаллах и отсутствует в других?