Текст книги "Чудесные кристаллы"
Автор книги: В. Рачков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 5 страниц)
В. К. Рачков
ЧУДЕСНЫЕ КРИСТАЛЛЫ
ВВЕДЕНИЕ
Пьезоэлектричество было обнаружено более 80 лет назад. Однако лишь в 20—30-х годах нашего столетия началось его бурное внедрение в науку и технику. В настоящее время трудно назвать отрасль народного хозяйства, военного дела и промышленности, в которой бы не использовались пьезоэлектрические приборы, являющиеся составной частью многих радиоэлектронных устройств.
XXII съезд Коммунистической партии Советского Союза, подводя итоги колоссальным достижениям советских людей во всех областях жизни, определил широкие перспективы в развитии науки и техники и в частности радиоэлектроники.
Уже сейчас пьезоэлектрические приборы нашли широкое признание у инженеров, летчиков, космонавтов, моряков, металлургов и других специалистов.
Как врач выслушивает сердце человека, так и с помощью пьезоэлектричества люди выслушивают автомобильный мотор и мощную паровую турбину. Без пьезоэлектрических приборов нельзя было бы выявить в неправильно рассчитанных деталях самолетов и ракет опасные шумы, которые могут привести к разрушению корпуса.
Можно ли предупредить столкновение корабля со скалами и айсбергами, с минами и заграждениями? Можно ли измерить глубину моря, чтобы предохранить корабль от опасной посадки на мель? Да, можно. И делают это пьезоэлектрические приборы. С их помощью военные моряки обнаруживают и уничтожают вражеские подводные лодки, а ученые изучают рельеф морского дна. Эти приборы позволяют обнаруживать в море и косяки рыб, чем оказывают неоценимую услугу нашей рыбной промышленности.
Пьезоэлектричество позволяет человеку незримо присутствовать в месте взрыва бомбы и снаряда, в центре землетрясения. Впервые человек получил возможность заглянуть в такие казалось бы недоступные места, как ствол артиллерийского орудия или винтовки в момент выстрела.
Пьезоэлектричество прочно вошло и в наш быт. Так, мы часто слушаем радио, смотрим телевизионные передачи. А ведь в радиовещании и телевидении широко используются пьезоэлектрические приборы.
Мы часто проверяем свои часы по сигналам точного времени. И здесь пьезоэлектричество не забыто – самые точные часы, по которым даются радиосигналы точного времени, используют это интереснейшее явление природы.
Что же такое пьезоэлектричество? Как люди открыли и научились использовать это явление?
Слово «пьезоэлектричество» в переводе означает электричество, возникающее от давления (от греческого слова «пьезо» – давить). Но этим свойством обладает не всякое вещество, а лишь некоторые кристаллические тела, получившие название пьезокристаллов.
Поэтому пьезоэлектричество – это электричество, возникающее в результате механического давления на пьезокристаллы. Следовательно, чтобы понять явление пьезоэлектричества, нужно знать не только законы электричества, но и основные свойства и особенности кристаллов.
ЦЕЙЛОНСКИЙ МАГНИТ
Человечеству давно известны электрические свойства некоторых веществ. Еще древним грекам, жившим за несколько веков до нашей эры, была известна таинственная притягательная сила, возникающая в янтаре при его натирании. Своим названием электричество и обязано янтарю, поскольку это слово происходит от слова «электрон», что по-гречески означает «янтарь».
Электрические свойства кристаллов, и в частности кристаллов турмалина, с незапамятных времен были известны на Цейлоне и в древней Индии. Было установлено, что кристалл турмалина, помещенный в горячий пепел, сначала притягивает пепел, а затем отталкивает его. Однако прошли века и даже тысячелетия, пока об этом удивительном свойстве узнали в Европе. Это было время длительных, рискованных, но выгодных походов европейских купцов в Индию за пряностями, тонкими узорчатыми тканями, диковинными камнями. Вместе с этими драгоценностями и был завезен в Европу кристалл турмалина – черный блестящий минерал.
И не столько красота, сколько таинственные свойства турмалина привлекали всеобщее внимание. «Цейлонский магнит», «пеплопритягатель» – такие забавные названия кристаллов турмалина можно встретить в старых учебниках минералогии. Было установлено, что кристалл турмалина притягивает не только горячий пепел, но и обрывки бумаги, волосы и другие легкие тела.
Был проведен такой опыт: нагретый кристалл через шелковое сито посыпали смесью порошков серы и сурика. Оказалось, что кристалл турмалина сразу разделяет смесь порошков на красный сурик и желтую серу: сера прилипает к одному концу кристалла, а сурик – к другому. При трении о шелковые нити сита порошок электризуется, причем сера получает отрицательный заряд, а сурик – положительный. Известно, что отрицательно заряженные тела притягиваются лишь к положительному заряду и, наоборот, положительно заряженные тела – только к отрицательному. Стало быть, при нагревании кристалл турмалина электризуется, причем на одном конце его появляются отрицательные электрические заряды, а на другом – положительные. Подобные опыты проводились и с другими кристаллами, которые также электризовались при нагревании.
Это явление получило название пироэлектричества, что в переводе означает электричество, возникающее от огня (от греческого слова «пирос» – огонь). Позже было установлено, что пироэлектричество тесно связано с пьезоэлектричеством. Однако потребовалось длительное время, прежде чем ученые узнали об этом.
Шли годы. В течение нескольких веков ученые многих стран шаг за шагом открывали новые удивительные свойства кристаллов. Начало кристаллографии – учению о свойствах, происхождении и выращивании кристаллов– было положено датчанином Николаем Стеноном в 1669 году. Большой вклад в эту науку внесли русские кристаллографы Федоров и Гадолин.
И только после того как были изучены основные свойства кристаллов и люди научились получать и использовать электрическую энергию, молодые французские ученые братья Пьер и Жак Кюри в 1880 году открыли явление пьезоэлектричества. Это открытие было не случайным. Своим успехом братья Кюри обязаны напряженному творческому труду многих ученых и инженеров. Интересен тот факт, что Пьер Кюри был физиком, а Жак Кюри – кристаллографом.
Чем же руководствовались братья Кюри в своем открытии? Какие свойства кристаллов их интересовали?
Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить строение вещества и рассказать о свойствах кристаллов.
В МИРЕ КРИСТАЛЛОВ
Известно, что окружающие нас тела состоят из мельчайших невидимых глазом частиц – атомов. Размеры атомов чрезвычайно малы: они составляют стомиллионные доли сантиметра. Атомы объединяются в молекулы, более крупные частицы.
Молекулы бывают однородными и разнородными. Однородные молекулы состоят из одинаковых атомов, а разнородные – из самых различных. Вещество, состоящее из однородных молекул, простое, его нельзя разложить на какие-либо другие вещества. Если же в состав вещества входят молекулы, построенные из разных атомов, то такие вещества называются сложными. Вода, например, сложное вещество: она состоит из кислорода и водорода, которые уже нельзя разложить на другие вещества.
Рис. 1. В центре атома гелия находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны
Сами атомы имеют сложное строение и состоят из электрически заряженных частиц. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны (рис. 1). При этом положительный заряд ядра уравновешен отрицательным зарядом электронов, и в своем обычном состоянии атом электрически нейтрален.
Если же изменить число электронов в атоме, то он выйдет из состояния равновесия. Если, например, удалить один или несколько электронов, то положительный заряд атома станет больше отрицательного и весь атом в целом окажется заряженным положительно. Такой атом называется положительным ионом. Или наоборот, если добавить один или несколько электронов, то атом приобретет отрицательный заряд и превратится в отрицательный ион.
Как располагаются атомы в веществе? Расположены ли они в определенном порядке или беспорядочно, хаотично? Ответить на этот вопрос было трудно. Ведь атомы и молекулы настолько малы, что их невозможно увидеть даже в самый мощный микроскоп. Но ученые обошлись и без этого. Им помогли рентгеновские лучи, которые показали, как расположены атомы в разных веществах.
Рис. 2. Во все стороны тянутся ровные ряды атомов – так устроена пространственная решетка графита
В кристаллических веществах частицы расположены геометрически правильно, по строгим законам. Если бы мы могли уменьшить свой рост до величины атома и проникнуть внутрь кристалла, то увидели бы, что вокруг нас во все стороны, не только вправо и влево, вперед и назад, но и вверх и вниз тянутся ровные бесконечные ряды атомов. Эти правильные ряды атомов в пространстве называются пространственными решетками, так как они действительно напоминают решетки (рис. 2).
С помощью рентгеновских лучей люди узнали, что у разных кристаллических веществ пространственные решетки разные. Каждое кристаллическое вещество можно отличить от другого кристаллического вещества по его пространственной решетке. В одних кристаллах очень простые решетки, в других – сложные.
Теперь мы можем сказать, что кристаллы – это тела, в которых атомы (молекулы, ионы) расположены в пространственных решетках строгой геометрической формы.
Рентгеновские лучи обнаружили кристаллическое строение не только в известных до того времени кристаллах, но и во многих других телах. Даже сажа, человеческий волос, шерсть, шелк и т. п. оказались построенными из кристаллов.
Но во всех ли веществах атомы расположены геометрически правильно? Конечно, нет. Существуют и такие твердые тела, в которых атомы расположены в беспорядке, как в газе или в жидкостях. Подобные тела называются аморфными, что означает в переводе с греческого «бесформенный». К такой группе тел относятся стекло, смола, столярный клей.
Однако и в аморфных телах атомы с течением времени могут в одном месте или сразу в нескольких местах собраться в правильную решетку. Тогда в этих местах появляются микроскопически маленькие кристаллики. Постепенно они вырастают и заполняют всю массу тела: аморфное тело закристаллизовалось. Так можно наблюдать помутнение старого стекла. Оно становится мутным, потому что в нем образуется множество мелких непрозрачных кристаллов.
Кристаллические тела бывают двух видов. Кристаллы, имеющие природную форму многогранников – кубов, параллелепипедов, призм, пирамид, называются монокристаллами или просто кристаллами. Тела, не имеющие многогранной формы, а состоящие из множества мелких, сросшихся между собой кристалликов, называются поликристаллами.
Кристаллы различных веществ отличаются друг от друга по форме (рис. 3). Кристаллы кварца имеют форму шестигранных призм, алмаза – восьмигранника, а граната – двенадцатигранника. Столбики берилла никогда не спутаете с пластинками слюды. Самая простая форма у кристаллов поваренной соли – форма куба.
Рис. 3. Кристаллы различных веществ отличаются друг от друга по своей форме:
а – кристалл поваренной соли; б – магнетит; в – кварц; г – берилл; д – лейцит; е – корунд
Но в природе редко встречаются кристаллы в виде правильных многогранников, чаще они неправильной формы. Это объясняется тем, что от действия воды, ветра, морозов кристаллы растрескиваются; в твердых породах кристаллы мешают друг другу расти; различные растворы разъедают кристаллы. Но все-таки свойства кристаллов остаются прежними. А что самое замечательное – остаются постоянными углы между одними и теми же гранями кристалла. Это свойство кристаллов называется законом постоянства углов, который объясняется внутренним строением кристаллов, т. е. тем, что частицы вещества расположены в геометрически правильной пространственной решетке. От ее формы и зависит форма кристалла. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим ячейку пространственной решетки кристалла поваренной соли (рис. 4). Этот кристалл состоит из молекул, каждая из которых содержит положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. Поскольку разноименно заряженные тела притягиваются друг к другу, а одноименно заряженные отталкиваются, молекулы поваренной соли группируются так, чтобы расстояния между одноименными ионами были как можно большими, а между разноименными – как можно меньшими.
Поэтому ячейка пространственной решетки поваренной соли представляет собой куб, по углам которого, чередуясь в шахматном порядке, располагаются ионы натрия и хлора, потому что такое расположение уравновешивает электрические силы ионов.
Рис. 4. Самая простая форма у кристалла поваренной соли – форма куба
Образованная таким образом ячейка кристалла является его зародышем. Если поместить ее в среду, насыщенную ионами натрия и хлора, то ячейка со всех сторон начнет обрастать все новыми и новыми молекулами. При этом разноименные ионы будут чередоваться в таком же шахматном порядке. Следовательно, при росте кристалла его грани будут передвигаться параллельно самим себе, а значит, углы между гранями кристалла не изменятся.
Таким же образом происходит образование и рост не только кристаллов поваренной соли, но и всех других кристаллических тел.
Проще всего получить кристаллы из насыщенных растворов. Такой раствор легко приготовить, если взять стакан горячей воды и насыпать в него любой порошок кристаллического вещества: сахара или соли, медного купороса или соды. При этом нужно размешивать порошок до тех пор, пока он не перестанет растворяться. Если раствор охладить, то растворимость вещества уменьшится и раствор станет пересыщенным. А это значит, что вещества в растворе оказалось больше, чем его может раствориться при данной температуре. Поэтому лишнее вещество выделяется из раствора и оседает на дне стакана в виде кристаллов. Чтобы получить кристаллы большей величины, надо полученный осадок опустить в новый пересыщенный раствор. Проделывая это несколько раз, можно получить кристаллы значительных размеров.
Пересыщенный раствор можно получить и другим способом, оставив насыщенный раствор в открытом сосуде с широким дном и низкими стенками. Вода из такого сосуда будет испаряться, а растворенные вещества останутся и раствор окажется пересыщенным. Кристаллы можно получить также из твердых и газообразных веществ. Так, из охлажденных водяных паров образуются кристаллики снега и льда. Примером образования кристаллов из твердого вещества может служить кристаллизация аморфных тел.
В настоящее время выращивание кристаллов из растворов превратилось в целую техническую отрасль. Созданы заводы и фабрики, на которых в больших количествах выращивают крайне нужные для нашего народного хозяйства кристаллические вещества.
Какими же еще свойствами обладают кристаллы?
Если ударить по кристаллу, то он расколется на маленькие кристаллики – осколки, которые по форме окажутся такими же, как и большой кристалл до удара. Кристалл поваренной соли, например, расколется на правильные кубики, а кристаллы слюды можно расщепить только в одном направлении – в виде тонких лепестков.
Это свойство кристаллов называется спайностью, а плоскости, по которым кристалл раскалывается, – плоскостями спайности. Поэтому кристаллы легко отличить от аморфных тел, прочность которых одинакова по всем направлениям.
Твердость кристаллов также зависит от направления. Поцарапайте кристалл иглой и вы заметите, что в одном направлении это сделать легче, чем в другом.
Если из кристаллического вещества выточить шар и опустить его в пересыщенный раствор такого же вещества, то уже через несколько часов на шаре появятся ровные площадки граней, которые будут увеличиваться, пока шар снова не превратится в многогранник. Следовательно, скорость роста в кристаллах тоже зависит от направления, иначе шар никогда бы не превратился в многогранник.
Известно, что при нагревании вещества расширяются. Если же нагреть шар, выточенный из кристалла, то расширяться он будет по разным направлениям по-разному. Например, кристалл кварца в одном из перпендикулярных направлений при нагревании расширяется вдвое больше. Другие физические свойства кристаллов – теплопроводность, электропроводность, оптические свойства – тоже зависят от направления. Это свойство называется анизотропией, что в переводе означает неравносвойственность.
Анизотропными свойствами обладают не только кристаллы. Вам не раз приходилось колоть дрова, и вы, конечно, заметили, что кусок дерева легко расколоть в одном направлении и очень трудно в другом. Стало быть, дерево тоже обладает анизотропными свойствами.
В отличие от кристаллических тел свойства аморфных тел не зависят от направления. Это свойство называется изотропией. Слово «изотропный» означает одинаковый по всем направлениям.
Чем же объясняются анизотропные свойства кристаллов? Если посмотреть на пространственную решетку какого-нибудь кристалла и мысленно провести в одном направлении линию, то она пересечет определенное число атомов, отстоящих друг от друга на определенных расстояниях. Если провести линию в другом направлении, то она пересечет уже другое число атомов, отстоящих друг от друга на иных расстояниях. Это и является причиной анизотропии кристаллов.
Возьмите большой кристалл кварца и от противоположных концов его одинаковыми по силе ударами отколите небольшие кусочки. Вы убедитесь, что с обоих концов по одинаковым плоскостям отколются равные по величине кусочки. Следовательно, прочность кристалла одинакова в разных местах. Можно провести ряд других опытов и показать, что и другие свойства кристалла одинаковы в разных местах, но различны в разных направлениях. Это свойство, тоже общее для всех кристаллов, называется однородностью. Однородность кристаллов, как и анизотропия, является следствием внутреннего строения кристаллов.
Кристаллы обладают еще одним общим свойством – они симметричны Посмотрите на кристаллы воды – снежинки. Они состоят из нескольких совершенно одинаковых частей. Такие тела называются симметричными, а плоскости, разделяющие одинаковые части, – плоскостями симметрии. Примерами симметричных геометрических фигур могут служить круг, квадрат, параллелограмм (рис. 5).
Для симметричных тел свойственно понятие центра симметрии. У круга он находится в центре, у параллелограмма – в точке пересечения его диагоналей. Однако у многих кристаллов центра симметрии нет.
Понятие центра симметрии у кристаллов гораздо шире, чем у прочих симметричных тел. Если до этого мы рассматривали симметрию различных тел только по форме, то симметрия кристаллов заключается не столько в форме, сколько в физических свойствах – прочности, твердости, электропроводности и других. Так, например, если разрезать кристалл кварца по плоскостям симметрии на разные части, то каждая из них будет похожа на другую не только по форме, но и по своим физическим свойствам.
Рис. 5. Все симметричные тела имеют центр симметрии:
а – круг; б – квадрат; в – параллелограмм; г – кристаллы воды – снежинки
Благодаря свойству симметрии ученые распределили все существующие в природе кристаллы по классам и системам, что очень помогает при описании и изучении их. Оказалось, что по симметрии кристаллы делятся на 32 класса. При этом только 12 классов имеют центр симметрии, а остальные 20 его не имеют.
Но самым примечательным оказалось то, что только кристаллы, не имеющие центра симметрии, обладают пьезоэлектрическими свойствами. Только они в результате механического воздействия способны выделять электрические заряды.
Какова же природа пьезоэлектричества? Почему пьезоэлектричество наблюдается только у кристаллов, не имеющих центра симметрии, и не может наблюдаться у других?
ОТКРЫТИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Вскоре после открытия электрического тока стало известно, что все окружающие нас вещества можно разделить на две большие группы. Вещества первой группы проводят электрический ток, почему и получили название проводников. К ним относятся, например, все металлические тела. Другие вещества вообще тока не проводят – их назвали изоляторами, или диэлектриками. К ним относятся фарфор, стекло, мрамор и др. Между этими группами веществ находится еще одна большая группа – полупроводники.
Почему металл проводит ток, а диэлектрик не проводит? Ведь и тот и другой состоит из атомов, т. е. из ядер, окруженных электронными оболочками. Дело в том, что в проводниках электроны слабо связаны со своими ядрами. Если металлический проводник расположить между отрицательным и положительным полюсами электрической батареи, то электроны под действием электрического поля легко оторвутся от своих ядер и устремятся к положительному полюсу. Такое движение свободно заряженных частиц (зарядов) и называется электрическим током.
Совсем другое наблюдается в диэлектриках. В них электроны крепко связаны со своими ядрами и даже сильное электрическое поле не может их разъединить. А раз нет движения свободных электрических зарядов, то нет и электрического тока. Однако в диэлектриках происходит другое интересное явление, получившее название поляризации диэлектриков. На этом явлении необходимо остановиться подробнее, так как оно лежит в основе пьезоэлектричества.
Поляризация диэлектриков заключается в образовании внутри вещества так называемых электрических диполей. Электрическим диполем называют частицу вещества, содержащую два разноименных заряда, находящихся на некотором расстоянии один от другого (рис, 6). Поэтому электрический диполь – своего рода маленький заряженный конденсатор с двумя разноименными полюсами. От греческого слова «полюс» и произошло название явления поляризации.
Как же происходит образование электрических диполей в диэлектриках?
Вы уже знаете, что отрицательно заряженные частицы атома – электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Центр тяжести вращающихся электронов находится в центре орбит, по которым они вращаются, т. е. в центре положительного ядра. А это означает, что положительные и отрицательные заряды как бы сосредоточены в одной точке. Но поскольку заряды всех вместе взятых электронов и ядра по величине равны, то они нейтрализуют друг друга. Вот почему мы и говорим, что в обычном состоянии атом электрически нейтрален.
Рис. 6. Электрический диполь напоминает заряженный конденсатор с разноименными полюсами
Но стоит только поместить диэлектрик в электрическое поле, как связанные и неотделимые друг от друга положительные и отрицательные заряды (электроны и ядра) словно по команде смещаются относительно друг друга: электрон – в сторону положительного полюса, ядро – в противоположную. При этом орбита электрона слегка вытягивается (рис. 7).
В результате смещения зарядов центры тяжести разноименно заряженных частиц уже не будут совпадать. А это значит, что образовался электрический диполь. Поскольку в диэлектрике образуется множество таких диполей и все они своими полюсами направлены! в одну сторону, то это равносильно тому, что весь диэлектрик превратился в электрически заряженный конденсатор. Это– явление и называется поляризацией диэлектрика.
В природе, оказывается, существуют такие вещества, которые и без воздействия электрического поля имеют дипольную структуру. Они получили название полярных диэлектриков, к которым и относятся пьезокристаллы.
Каждая ячейка пространственной решетки любого пьезокристалла представляет собой электрический диполь. Этот диполь образован центрами тяжести групп отрицательных и групп положительных частиц, составляющих ячейку. Центры тяжести групп разноименно заряженных частиц в ячейке не совпадают потому, что пьезокристаллы не имеют центра симметрии.
Таким образом, пьезокристаллы полярны из-за отсутствия центра симметрии. Кристаллы, имеющие центр симметрии, неполярны и поэтому не могут быть пьезоэлектрическими.
Рис. 7. Смещение ядер и электронов в диэлектрике, помещенном в электрическое поле, приводит к образованию электрических диполей
Посмотрите на ячейку-кубик кристалла поваренной соли. Она представляет собой правильный куб с шестью квадратными гранями. Центр симметрии такого куба находится в точке пересечения диагоналей. В вершинах куба расположены четыре отрицательных иона хлора и четыре положительных иона натрия. Как положительные, так и отрицательные ионы расположены одинаково относительно центра куба. А это значит, что центры тяжести положительных и отрицательных групп ионов находятся в одной точке – в центре куба, т. е. в центре его симметрии.
Попробуйте мысленно сжать ячейку-кубик кристалла поваренной соли. Кубик превратится в параллелепипед (рис. 8). Но и в этом случае центры тяжести положительных и отрицательных групп ионов будут лежать в одной точке. Следовательно, и в нормальном состоянии, и при механическом воздействии кристалл поваренной соли не имеет дипольной структуры, значит, он не полярный.
В кристаллах, не имеющих центра симметрии, вы будете наблюдать другую картину. Если подвергать такие кристаллы сжатию или растяжению, то под воздействием механической силы электрические диполи будут занимать определенное положение, в результате чего возникает электрическая поляризация (рис. 9).
Рис. 8. Если сжать ячейку кристалла поваренной соли, то центры тяжести положительно и отрицательно заряженных ионов останутся в одной точке – центре симметрии
Рис. 9. Под воздействием механической силы диполи занимают определенное положение
Итак, причиной поляризации кристаллов является отсутствие центра симметрии, или дисимметрия кристаллов. К этому выводу и пришли братья Кюри, изучая поляризацию кристаллов.
К этому времени были уже открыты основные законы кристаллографии и свойства кристаллов были изучены довольно хорошо. Было известно, что все монокристаллы можно разделить на две группы – кристаллы, имеющие центр симметрии, и кристаллы, не имеющие его. Проводя опыты над различными группами, братья Кюри заметили, что пироэлектричество, т. е. выделение электрических зарядов на поверхности кристаллов при их нагревании, наблюдается только у кристаллов, не имеющих центра симметрии. Следовательно, дисимметрия кристаллов и является причиной образования электрических зарядов.
А можно ли другим путем выделить электрические заряды, например, сжав или растянув кристалл? Ведь сжатие и растяжение сопутствуют охлаждению и нагреванию тела. Произойдет ли в этом случае поляризация?
Был проделан опыт. Тонкую прямоугольную пластинку, вырезанную из кристалла кварца, расположили между двумя пластинками из оловянной фольги. Пластинки из фольги служили электродами, к которым был присоединен прибор для обнаружения электрических зарядов – электрометр. При сжатии кварцевой пластинки стрелка электрометра отклонялась в одну сторону, при растяжении – в другую. А это означало, что при сжатии на одном электроде возникал положительный электрический заряд, на другом – отрицательный. При изменении направления механического давления, т. е. при растяжении, знаки электрических зарядов на электродах менялись на обратные. При этом чем больше была сила давления, тем больше была и величина возникающих зарядов. Такое явление было названо прямым пьезоэлектрическим эффектом (рис. 10).
Рис. 10. Прямой пьезоэлектрический эффект
Рис. 11. Обратный пьезоэлектрический эффект
Братьями Кюри был открыт и обратный пьезоэлектрический эффект (рис. 11). Он заключается в следующем. Если к точно такой же кварцевой пластинке, снабженной электродами, присоединить источник электричества, т. е. поместить пластинку в электрическое поле, то толщина ее изменится: пластинка либо сожмется, либо растянется. Сжатие и растяжение происходит в зависимости от полярности заряда. Чем большая величина электрических зарядов будет сосредоточена на электродах, т. е. чем сильнее действует электрическое поле, тем больше будет меняться толщина пластинки. Изменение ее толщины часто называют деформацией.
Братья Кюри также доказали, что пьезоэлектрическими свойствами обладают и другие кристаллы, не имеющие центра симметрии: сахар, цинковая обманка, турмалин, винная кислота, топаз, сегнетова соль и другие.
Смелое научное предположение, сделанное братьями Кюри, о том, что кристаллы, не имеющие центра симметрии, способны выделять электрические заряды, полностью подтвердилось. Так было открыто пьезоэлектричество.
