ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕКСТУРЫ

Ьезоэлектрический эффект присущ не только монокри­сталлам.

Мы уже отмечали, что изотропные кристаллические тела состоят из множества отдельных микроскопических кристалликов, расположенных друг относительно друга без всякой закономерности. Но искусственным путём можно повернуть эти кристаллики 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.

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

Если отдельные кристаллики, 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 кристалликов в текстуре про­исходит несколько дней, после чего в ней можно обнару­жить пьезоэлектрический эффект.

Другой вид пьезоэлектрической текстуры — пьезо­керамика. Тщетно вы будете искать пьезоэлектрические свойства в осколке обыкновенной фарфоровой чашки. Фарфор — белая глина, прошедшая обжиг,— не является текстурой. Кристаллические решётки в различных кри­сталликах 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 кристалликах 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 кристаллик в отдельности был пьезоэлектриком. Но обычный фарфор состоит из зёрен, не имеющих пьезоэлектрических свойств. Надо было найти вещество, которое, во-первых, способно образовать кера­мику и, во-вторых, является пьезоэлектриком. И такое ве­щество — титанат бария — было найдено.

Замешивая пьезоэлектрические кристаллики 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, напри - мер, дерево. Мы уже отмечали, что оно анизотропно. Более того, древесине, оказывается, присущи пьезоэлектрические свойства. Дерево — пьезоэлектрик. Это свойство древе­сины было открыто советским учёным 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.

Таковы природа пьезоэлектрического эффекта и основ­ные свойства пьезоэлектриков. Познакомимся теперь с важнейшими применениями этого замечательного явле­ния. Начнём с рассказа о том, как пьезоэлектричество впервые получило путёвку в жизнь.

О время первой мировой войны французское прави­тельство обратилось к известному 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.

Наблюдения показывают, что издают звук колеблющиеся тела: голосовые связки людей или жи­вотных, струны музыкальных ин­струментов, движущиеся части машин и т. п.

Зажмите в тиски тонкую стальную пластинку (рис. 17).

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 обычно нельзя увидеть.

Если поместить под стеклянный колпак какой-нибудь источник звука, например электрический звонок, и на­чать выкачивать из-под колпака воздух, то звон будет ста­новиться всё слабее и слабее. Если бы мы могли выкачать из-под колпака весь находящийся там воздух, то звон 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 в воде она возрастает до 1440, а в стали—до 5810 метров в секунду.

Встречая на своём пути какую-либо преграду, напри­мер барабанную перепонку уха, звуковые волны застав­ляют её колебаться, подобно тому как водяные волны раскачивают плавающие на воде щепки и клочки бумаги. Благодаря этому звук и можно услышать.

Если на пути звука возникает непреодолимое препят­ствие (горы, скалы, лес и т. д.), то звуковая волна отра­жается от этого препятствия и возвращается обратно в виде эхо.

Разрабатывая способ дальнего обнаружения подвод­ных лодок, Ланжевен и решил использовать свойства зву­ковых и ультразвуковых волн отражаться от препятствия и возвращаться назад в виде эхо. Зная скорость распрост­ранения волны в воде, а также время между посылкой ко­роткого звукового сигнала — импульса — и его возвраще­нием, нетрудно подсчитать расстояние до препятствия, отразившего звук (скажем, до подводной лодки).

В то время свойства ультразвука были уже довольно хорошо изучены. Существовали достаточно мощные источ­ники ультразвуковых волн — колеблющиеся стальные стержни и камертоны. Но все эти источники имели один крупный недостаток — они излучали звук равномерно во все стороны. Пользуясь ими, нельзя было установить на­правление, в котором находится препятствие, отразившее звук. Необходимо было найти новый источник ультра­звука, который посылал бы ультразвуковые волны узким пучком в нужном направлении, подобно тому как прожек­тор направляет луч света.

После долгих опытов Ланжевен остановился на источ­нике (излучателе) ультразвуковых волн, основной частью которого была определённым образом установленная пьезокварцевая пластинка. Применение такого излучателя позволило Ланжевену успешно решить поставленную перед ним задачу.

Мы уже говорили, что в силу пьезоэлектрического эффекта такая пластинка сожмётся или растянется, если к её электродам подключить источник электрического тока. До сих пор мы имели дело с постоянным током, кото­рый течёт по проводам всё время в одном направлении. Но существует также переменный ток, направление кото­рого меняется много раз в секунду. Например, ток, теку­щий в осветительной сети, изменяет своё направление 100 раз в секунду. Сначала он течёт по проводам в одну сторону, а спустя сотую долю секунды идёт в противопо­ложную сторону, ещё через одну сотую долю секунды течёт снова в прежнем направлении и т. д.

Если электроды кварцевой пластинки подключить к осветительной сети, то пластинка в течение секунды 100 раз сожмётся и расширится, совершив 50 полных колебаний. Колебания пластинки передадутся воздуху, и в нём будут образовываться звуковые волны.

Если знаки электрических зарядов на электродах пластинки изменяются свыше 20 000—30 000 раз в секун­ду, то пластинка образует в окружающей среде ультра­звуковые волны.

Кварцевая пластинка излучает ультразвук в опреде­лённом направлении — под прямым углом к её большим граням. Направленное излучение волны — основное до­стоинство такого излучателя.

Пьезоэлектрическая пластинка может служить и при­ёмником ультразвука. Звуковая волна, встречая на пути такую пластинку, заставляет её колебаться с частотой источника звука. Опять-таки в результате пьезоэлектри­ческого эффекта на гранях пластинки возникают заряды; их знаки меняются соответственно звуковым колебаниям. При этом энергия звуковых колебаний преобразовывается в энергию электрических колебаний, которые могут быть затем восприняты обычным радиоприёмником.

Чем больше поверхность кварцевой пластинки, тем, естественно, мощнее излучаемый ею звук, так как в коле­бательное движение приводится большее число частиц воздуха. Однако площадь отдельной пластинки сравни­тельно невелика, поэтому вскоре была предложена квар­
цевая мозаика, состоящая из ряда одновременно рабо­тающих кварцевых пластин. Такая мозаика показана на рис. 18.

Стали применять также пластины специальной формы, способные излучать звук весьма узким пучком.

В ультразвуковых устройствах помимо кристаллов кварца используются искусственно выращиваемые кри­сталлы сегнетовой соли, сульфата лития, фосфата аммо­ния и т. д. В последнее время начала применяться пьезокера­мика, позволяющая без особых трудностей изготавливать излу­чатели и приёмники больших размеров и любой формы.

Сейчас ультразвук находит всестороннее применение в мо­реплавании. С помощью ультра­звуковых волн можно обнару­живать корабли, удалённые от места обнаружения на десятки километров. Он позволяет уста­навливать местоположение над­водных кораблей в тумане и подводных лодок в погружён­ном состоянии.

С помощью специального уль­тразвукового прибора — эхо­лота — измеряют морские глубины, производят исследо­вание дна, обнаруживают рифы и отмели.

Но этим не ограничивается значение ультразвука.

В 1928 году советский учёный С. Я. Соколов изобрёл ультразвуковой прибор для обнаружения трещин и рако­вин в металлических изделиях (различных отливках, осях и валах, орудийных стволах, турбинных лопатках и т. п.) и твёрдых пластмассах. С помощью этого прибора опреде­ляют также толщину стенок котлов и пр.

Принцип действия такого прибора мало чем отличает­ся от описанного выше. Узкий пучок ультразвука, излуча­емый пьезоэлектрической пластинкой, направляется на исследуемое изделие и проходит его насквозь. Если в толще изделия имеется трещина или раковина, которая препятствует распространению волны, то ультразвук от* ражается от такого препятствия и возвращается назад, где
улавливается приёмником. В приёмнике он преобразует­ся в электрические колебания. Эти колебания направляют­ся по проводам в специальный электрический прибор — осциллограф, на экране которого появляется характерная светящаяся кривая — осциллограмма. По виду этой кри­вой судят о характере дефекта. На рис. 19 показан ряд осциллограмм, получающихся при прозвучивании метал­лического вала со сквозным отверстием; чем больше диа­метр отверстия, тем сильнее всплеск на осциллограмме.

Ультразвуковые устройства с пьезоэлектрическими

Излучателями применяются и в химической промышлен­ности. Если пропускать ультразвук через пробирку с во­дой, в которую добавлено немного ртути, то можно наблю­дать постепенное потемнение воды. Это происходит в результате дробления ртути на мельчайшие капельки, как бы висящие в воде. Таким образом с помощью ультра­звука изготавливают однородные смеси — эмульсии, широко применяемые в химии и медицине.

Коснёмся некоторых важных свойств ультразвука, которые также могут найти применение в промышленности и народном хозяйстве.

Если направить пучок ультразвуковых волн, излучае­мых пьезоэлектрической пластинкой, на обыкновенный термометр, то вскоре к термометру нельзя будет прикос­нуться: вследствие ультразвуковых колебаний стекла рука почувствует ожог, хотя температура, показываемая термометром, останется приблизительно прежней.

При пропускании ультразвука сквозь жидкость она, оставаясь холодной, как бы вскипает. Это объясняется способностью ультразвуковых волн высвобождать из жид­кости пузырьки растворённого в ней воздуха или иного газа. Если опустить в такую жидкость рыбу или лягушку, то они мгновенно погибнут.

Учёные обнаружили также, что мощные ультразвуки оказывают влияние на характер кристаллизации тел и ускоряют некоторые химические реакции.

Мы рассмотрели только часть свойств и применений ультразвука. В настоящее время ультразвуковые системы применяют ещё в целом ряде отраслей народного хозяй­ства, например в телевидении, сельском хозяйстве и гео­логии. И в большинстве случаев наиболее совершенным и удобным излучателем ультразвуковых волн оказывается пьезоэлектрическая пластинка.