Текст книги "Пьезоэлектричество"
Автор книги: Александр Плонский
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)
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]2
Плавиковая кислота – химическое соединение фтора и водорода, растворённое в воде. Это очень сильная кислота. Она растворяет многие вещества. Плавиковую кислоту хранят в сосудах из парафина или эбонита, на которые она не действует.
[Закрыть]. 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?
5. Природа пьезоэлектричества
Рассматривая кристаллическую решётку поваренной соли (см. рис. 2), 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. 15).
Рис. 15. Электрический диполь.
Если дипольный момент равен нулю, то нет и диполя.
В аморфных телах, как, например, в смоле или эбоните, 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. 16, а). Если же потереть кусочек смолы или эбонита, например 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. 16, б).
Рис. 16. Электрические диполи: а) в неполяризованном диэлектрике, б) в поляризованном диэлектрике.
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 в качестве источников 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 (рис. 17, а).
Рис. 17. а) Один из восьми кубиков, входящих в элементарную кубическую ячейку поваренной соли, б) одна из граней кубика элементарной ячейки, в) искажение кубика в результате сжатия.
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 это множество сил заменяют одной силой, равной их сумме, и прикладывают данную 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. 17, 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, и кубик и ячейка в целом не имеют дипольного момента, то есть 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. 17, в). Но и в этом случае центры тяжести разноимённых ионов лежат в одной точке. Следовательно, ячейка по-прежнему 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.
Таким образом, 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.
В развитии теории пьезоэлектрического эффекта огромную роль сыграли работы известных русских учёных А. В. Гадолина (1828–1892 гг.) и Е. С. Фёдорова (1853–1919 гг.), впервые установивших, что физические свойства кристаллов находятся в непосредственной связи со структурной симметрией.
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.
7. О неслышимых звуках
Во время первой мировой войны французское правительство обратилось к известному учёному 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.
Подобные наблюдения показывают, что источниками звука являются колеблющиеся тела: голосовые связки людей или животных, струны музыкальных инструментов, движущиеся части машин и т. п.
Зажмите в тиски тонкую стальную пластинку (рис. 18).
Рис. 18. Колебания тонкой стальной пластинки.
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 нельзя увидеть.
Если поместить под стеклянный колпак какой-нибудь источник звука, например электрический звонок, и начать выкачивать из-под колпака воздух, то при этом звук звонка будет становиться всё слабее и слабее. Если бы мы могли выкачать из-под колпака весь находящийся там воздух, то звук 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 при распространении волны в воде она возрастает до 1440 м/сек, а в стали – до 5810 м/сек.
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 эффективный 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 (в данном случае 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, но, 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 100 раз 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 использоваться и в качестве приёмника 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, знаки которых 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 кварцевая мозаика, состоящая из ряда одновременно работающих кварцевых пластин. Такая мозаика показана на рис. 19.
Рис. 19. Кварцевая мозаика – излучатель ультразвука, состоящий из ряда кварцевых пластин, электрически соединённых друг с другом.
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 г. советский учёный проф. 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 отражается 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. 20 показан ряд осциллограмм, получающихся при прозвучивании металлического вала со сквозным отверстием; чем больше диаметр отверстия, тем сильнее всплеск на осциллограмме.
Рис. 20. Осциллограммы, получающиеся при прозвучивании просверленного металлического вала.
Изобретение С. Я. Соколова было в своё время описано не только в отечественной, но и в зарубежной, в том числе и американской печати. Однако современная американская литература по ультразвуку старательно замалчивает первенство советского учёного.
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.
