Пьезоэлектричество

6. Пьезоэлектрические текстуры

Пьезоэлектрические явления свойственны не только монокристаллам. В 1940 г. чл. — корр. Академии наук А. В. Шубников предсказал возможность существования пьезоэлектрических свойств в телах, не являющихся одиночными кристаллами. В 1941 г. гипотеза А. В. Шубникова по его предложению была экспериментально подтверждена А. С. Шеиным.

Мы уже отмечали, что изотропные кристаллические тела состоят из множества отдельных микроскопических кристаликов, расположенных друг относительно друга без всякой закономерности. Но искусственным путём можно повернуть эти кристалики так, чтобы их координатные оси были направлены более или менее одинаково.

В куске литого металла кристаллические зёрна расположены беспорядочно. Однако при протягивании проволоки или прокатке металлических листов кристаллические зёрна дробятся, расплющиваются и поворачиваются так, что элементарные ячейки кристаллической решётки выстраиваются в определённом порядке. Такое явление было впервые обнаружено советскими учёными проф. Н. Е. Успенским и чл. — корр. Академии наук С. Т. Конобеевским.

Многочисленные тела, не являющиеся одиночными кристаллами, но обладающие анизотропией, обусловленной правильной ориентировкой кристаллических зёрен, получили название текстур.

Если отдельные кристалики, образующие текстуру, обладают пьезоэлектрическими свойствами, то и текстура в целом ведёт себя как пьезоэлектрик. Такие текстуры получили название пьезотекстур.

Для изготовления пьезотекстуры не требуется сложного оборудования.

Насыпьте некоторое количество сегнетовой соли в закрытый стеклянный сосуд и поместите его в кипящую воду. После того как сегнетова соль расплавится и примет температуру кипящей воды +100° Ц, откройте сосуд и опустите в него жёсткую волосяную кисть шириной 10–20 мм. Дайте кисти прогреться до температуры расплава, а сами тем временем подготовьте основание, на которое будет наноситься текстура. Для этой цели лучше всего подойдёт кусочек листового металла с тщательно зачищенной поверхностью.

Теперь слегка отожмите кисть и начните наносить расплав на поверхность металла. Штрихи следует накладывать в определённом направлении, проводя кистью по одним и тем же местам несколько раз, пока блеск расплава не изменится, что служит признаком начала кристаллизации.

Пока нанесённый на поверхность металла тонкий слой расплава не затвердел окончательно, опустите кисть в сосуд и с помощью проволочки или лезвия ножа очистите её от кристаллического осадка. Затем нанесите на пластинку новый слой расплава, однако штрихи накладывайте в обратную сторону. Количество наносимых слоёв бывает различно. Оно зависит от желаемой толщины текстуры.

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.