ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ПРИРОДА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Ассматривая кристаллическую решётку поваренной соли мы установили, что она образована чередующи­мися друг с другом положительными и отрицательными ионами. Частица вещества, содержащая в себе два раз­ноимённых иона (или две группы разноимённых ионов), находящихся на некотором расстоянии друг от друга, на­зывается электрическим диполем. Электрический диполь характеризуется так называемым дипольным моментом, который равен произведению величины заряда А на рас­стояние между зарядами Б (рис. 14). Если дипольный момент равен нулю, то нет и диполя.

В аморфных телах вроде смолы или эбонита электри­ческие диполи обычно расположены беспорядочно; поэто­му в любом месте поверхности такого вещества имеется одинаковое число положительных и отрицательных ионов, разноимённые заряды которых уравновешивают друг друга (рис. 15, а). Если же потереть кусочек смолы или эбонита о сукно, то диполи повернутся вокруг своих осей и займут одинаковые положения. При этом одноимённые

Полюсы диполей окажутся направленными в одну сторону. Там, где они выступят на поверхности, сосредоточатся заряды (рис. 15, б). Такое явление называется электриче­ской поляризацией.

Существуют тела, которые обладают постоянной элек­трической поляризацией. Такие тела называются элек­третами. Они получаются искусственно из воска и некоторых смол при их затвердевании между двумя электродами, на которых сосредоточены большие электри­ческие заряды. В расплавленном воске диполи располо­жены беспорядочно. Но под воздействием электрических сил они занимают одинаковые положения и сохраняют их после затвердевания. (Конечно, заряды, сосредоточенные на поверхностях электретов в результате электрической поляризации, слишком малы, чтобы подобные тела могли использоваться как источники электрического тока.)

Существуют также тела, которые в обычном своём со­стоянии не имеют поляризации, но приобретают её при механическом сжатии или растяжении. Мы уже знаем, что подобное явление называется пьезоэлектрическим эф­фектом.

Тела, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, или, как их часто называют, пьезоэлектрики, должны иметь дипольную структуру (или приобретать её при определённых условиях). В противном случае поля­ризация, а следовательно, и пьезоэлектрический эффект невозможны.

Взгляните на один из восьми кубиков, образующих элементарную ячейку кристалла поваренной соли

-Ионы хлора - Ионы натрия

(рис. 16, а). Он образован четырьмя диполями, состоя­щими из ионов хлора и натрия. Казалось бы, здесь бес­спорно наблюдается дипольная структура. В одном лишь кубике насчитывается четыре диполя. Но этого, оказы­вается, мало. Необходимо, чтобы весь кубик и элементар­ная ячейка в целом вели себя как диполь.

Выясним, является ли ячейка кристалла поваренной соли электрическим диполем.

В повседневной жизни мы часто встречаемся с поня­тием центра тяжести. Сила тяжести, или вес, обусловлена притяжением Земли. Любое тело состоит из огромного числа частиц, причём каждая из них обладает своим соб­ственным весом. Таким образом, вес всего тела склады­вается из множества одинаково направленных сил. Для простоты множество сил заменяют одной силой, равной их сумме, и прикладывают эту силу к такой точке тела, где бы её действие было равносильно суммарному дейст­вию всех отдельных сил. Подобная точка называется центром тяжести. Центр тяжести шара находится в его геометрическом центре, центр тяжести цилиндра распо­ложен на середине оси и т. д.

Система, состоящая из нескольких тел, также обла­дает центром тяжести. Так, например, центр тяжести двух одинаковых материальных точек (тел, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними) находится посредине прямой, соединяющей эти точки.

Определим центры тяжести ионов натрия и хлора в кристаллической решётке поваренной соли. Рассмотрим одну из граней кубика кристаллической решётки (рис. 16, б). Эта грань представляет собой квадрат, по углам которого расположены два иона хлора и два иона натрия. Центр тяжести двух положительных ионов лежит на середине диагонали, соединяющей эти ионы. Но там же находится и центр тяжести отрицательных ионов, по­скольку диагонали квадрата делятся пополам в одной и той же точке — точке их пересечения.

Таким же образом легко показать, что центр тяжести всех положительных ионов, входящих в любой из восьми кубиков элементарной ячейки, совпадает с центром тя­жести отрицательных ионов и находится на пересе­чении диагоналей этого кубика, то есть в его центре симметрии. А это означает, что положительные и отрица­тельные заряды как бы сосредоточены в одной точке, следовательно, кубик и ячейка в целом не имеют ди- польного момента и не являются электрическими ди­полями.

Попробуем сжать кристалл поваренной соли. Под воз­действием сжатия форма кристаллической решётки иска­жается, и кубики, образующие элементарную ячейку, при­нимают вид параллелепипедов (рис. 15, в). Но и в этом случае центры тяжести разноимённых ионов лежат в од­ной точке. Следовательно, ячейка попрежнему не является диполем.

Отсюда понятно, что в кристаллах, обладающих цент­ром симметрии, никакие механические воздействия не возбудят электрической поляризации. Иными словами, кристаллы, имеющие центр симметрии, не обладают пьезоэлектрическими свойствами.

Другая картина наблюдается в ацентричных кристал­лах. Здесь элементарные ячейки подобны электрическим диполям, поскольку центры тяжести разноимённых ионов, образующих ячейку, не совпадают. В таких кристаллах под воздействием механической силы диполи могут при­нимать более или менее одинаковые положения, то-есть возможна электрическая поляризация.

Вот и выходит, что пьезоэлектрический эффект можно обнаружить только в кристаллах, не имеющих центра сим­метрии.

А возможны ли пьезоэлектрические явления в метал­лах — в меди, железе, алюминии и др.?

В кристаллических ячейках металлов нет отрицатель­ных ионов. В каждом атоме металла недостаёт одного или нескольких электронов, поэтому все атомы в металле заряжены положительно, то-есть представляют собой по­ложительные ионы. Потерянные атомами электроны бес­порядочно блуждают между ионами, переходя из одной ячейки кристаллической решётки в другую. Если подклю­чить кусок металла (например, металлическую прово­локу) к какому-либо источнику электричества (гальвани­ческому элементу, аккумулятору и т. д.), то под воздейст­вием электрических сил электроны устремляются к его положительному полюсу. Поток электронов, движущихся в одном направлении, и есть электрический ток. Тела, проводящие электрический ток, называют проводниками.

В кристаллических решётках неметаллических ве­ществ— поваренной соли, кварца, алмаза, янтаря, эбо­нита и др.— свободные электроны отсутствуют. Поэтому такие вещества не проводят электрического тока и отно­сятся к изоляторам (диэлектрикам).

Поскольку в проводниках отсутствуют разноимённые ионы, там не может быть и электрических диполей, а сле­довательно, невозможна и поляризация.

Таким образом, пьезоэлектрические явления могут происходить только в диэлектриках.