ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

КРИСТАЛЛ КВАРЦА

ДЯы познакомились с общими свойствами кристаллов.

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

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.

Чтобы раздавить кварцевый кубик объёмом в один кубический сантиметр, потребуется 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. Из плавленного кварца, как из обыч­ного стекла, можно изготовлять бокалы, трубки, посуду для лабораторных опытов и т. д. По виду такая посуда не

Рис. 12. Кварцевая пластинка.

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. 13, б).

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

Рис. 13. Так обнаруживается пьезоэлектрический эффект.

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 г 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 этом и основаны многочислен­ные применения пьезокварца, о которых мы расскажем дальше.

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 хими­ческий элемент бор), сегнетовой соли, которая полу­чается из отходов виноделия, ит. 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?