Текст книги "Чудесные кристаллы"
Автор книги: В. Рачков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)
ПЬЕЗОКРИСТАЛЛЫ
Впервые пьезоэлектрические свойства были обнаружены у кристалла кварца. Вам, наверное, приходилось любоваться прозрачными и, бесцветными, похожими на лед, кристаллами горного хрусталя. А это и есть одна из разновидностей кварца. В древности так и считали, что горный хрусталь и лед – одно и то же, только лед замерзает у нас на глазах, а горный хрусталь при очень большом морозе. Это, конечно, неверно, и сейчас так никто не думает. Уже давно установлено, что лед – кристалл воды, состоящий из водорода и кислорода, а составными частями горного хрусталя являются кислород и кремний.
Помимо горного хрусталя, кварц встречается почти в двухстах разновидностях. Тут и золотисто-желтый цитрин, кроваво-красный сердолик, красновато-коричневый с золотым отливом авантюрин, фиолетовый аметист. Почти одна десятая часть земной коры приходится на различные виды кварца. Даже обыкновенный песок состоит главным образом из кварцевых зерен.
Кварцу присущи разнообразные свойства, и поэтому он широко применяется в науке и технике. Если обычное стекло, например, задерживает ультрафиолетовые лучи, то кварц пропускает их. Это свойство используется медициной для лечения «горным солнцем», а также в оптике, где из кварца изготовляют призмы и линзы для астрономических и других оптических приборов.
Кварц тверд, прочен, упруг и тугоплавок. Посуда из кварцевого стекла останется невредимой, если раскалить ее докрасна и сразу погрузить в ледяную воду. Кварц устойчив почти ко всем кислотам и плохо проводит электрический ток. Но самыми замечательными являются, как вы уже знаете, пьезоэлектрические свойства кварца.
Рис. 12. Кристалл кварца
Взгляните на кристалл кварца (рис. 12). Он имеет вид правильной шестигранной призмы, которая оканчивается шестигранными пирамидами. Мысленно проведите линию, соединяющую вершины пирамид. Это будет одна из осей симметрии кристалла кварца. Назовем ее главной осью. Если провести линию через противоположные углы призмы и так, чтобы она была перпендикулярна главной оси, то получим так называемую электрическую ось. Всего у кристалла кварца три электрические оси.
Свойства кварца, в том числе и пьезоэлектрические, различны именно вдоль этих направлений. Вдоль главной оси эти свойства одни, а вдоль электрических осей совершенно другие.
Чтобы получить пьезоэлектрический эффект, необходимо из целого кристалла кварца вырезать тонкую пластинку. Но из кристалла можно вырезать пластинки под любыми углами к осям. И все они будут обладать разными пьезоэлектрическими свойствами.
Как же правильно вырезать пластинку? Оказывается, что наибольшим пьезоэлектрическим эффектом обладает пластинка, вырезанная из кристалла так, чтобы ее поверхность была перпендикулярна одной из электрических осей. Пластинка, вырезанная в другом направлении, будет обладать меньшими пьезоэлектрическими свойствами, а пластинка, вырезанная параллельно электрическим осям, вообще не обнаруживает этих свойств.
Кварц хотя и твердый кристалл, но очень хрупок. Он может выдерживать действие очень большой силы но ломается при резком ударе. Однако главный недостаток кварца не в этом. Непрерывно развивающаяся пьезоэлектрическая техника требует все больше и больше этого минерального сырья. При этом требуется не любая разновидность кварца, а горный хрусталь самого высокого качества – без пузырьков, трещин и посторонних минералов. Такие кристаллы встречаются редко. Но и из них используется лишь небольшая часть, остальное теряется в отходах. Поэтому природный пьезокварц ценится лишь немного ниже золота.
Сравнительно недавно наши ученые начали искусственно выращивать кристаллы кварца необходимых размеров. Правда, растут эти кристаллы очень медленно и пока дороги.
Ученые обратились к другим веществам и в первую очередь к кристаллам сегнетовой соли, пьезоэлектрические свойства которой были открыты братьями Кюри. До этого сегнетова соль широко применялась в медицине. Впервые ее получил из солей винной кислоты французский аптекарь Сегнет.
Познакомимся поближе с этим веществом. Сегнетова соль удобна тем, что ее кристаллы (рис. 13) легко выращиваются искусственным путем и легко обрабатываются. Кристалл сегнетовой соли можно разрезать обыкновенной ниткой, смоченной водой. Мокрая нитка при своем движении быстро растворяет кристалл, углубляясь в него..
Сегнетова соль по сравнению с другими пьезокристаллами, в том числе и кварцем, обладает значительно большим пьезоэлектрическим эффектом. Самое ничтожное механическое воздействие приводит к появлению на электродах электрических зарядов.
Однако сегнетовой соли свойственны и серьезные недостатки, которые ограничивают ее практическое применение. Это в первую очередь низкая температура плавления (около 60°), при которой сегнетова соль теряет свои пьезоэлектрические свойства и уже больше не восстанавливает их. Сегнетова соль растворяется в воде и, следовательно, боится влаги. Кроме того, она непрочна и не выдерживает больших механических нагрузок.
Рис. 13. Кристалл сегнетовой соли
Долгое время искали заменитель сегнетовой соли, который был бы близок к ней по пьезоэлектрическим свойствам и не имел бы ее недостатков. И такой заменитель был найден. Сделали это советские ученые под руководством члена-корреспондента Академии наук СССР Б. М. Вула. Титанат бария – так называется это вещество, наделенное удивительными и ценными свойствами.
Титанат бария не является монокристаллом, как кварц и сегнетова соль. Это поликристалл, состоящий из большого числа сросшихся между собой кристалликов. Каждый из кристалликов не имеет общего центра симметрии отрицательных и положительных зарядов, и поэтому он пьезоэлектрический (рис. 14). Но в обычном состоянии все кристаллики расположены один относительно другого без всякой закономерности, беспорядочно. А это означает, что все вещество в целом не обладает пьезоэлектрическими свойствами.
Как же удалось сделать титанат бария пьезоэлектрическим веществом? Ясно, что для этого нужно было повернуть все кристаллики так, чтобы они были направлены более или менее одинаково. Это было сделано при помощи электрического поля.
В недрах земли титанат бария встречается очень редко, и поэтому его получают искусственным путем. Смесь двух минеральных веществ – углекислого бария и двуокиси титаната – обжигают при очень высокой температуре. Получается желтовато-белая масса, которая по своему виду и механическим свойствам напоминает обыкновенную глину. Этой массе, как и глине, можно придать любые размеры и формы. В то же время она будет механически прочная и нерастворимая в воде, как и любое керамическое изделие. Вот за это сходство с керамикой титанат бария и получил название пьезокерамики.
Рис. 14. Кристалл титаната бария не имеет общего центра симметрии отрицательных и положительных зарядов
Чтобы титанат бария приобрел пьезоэлектрические свойства, обожженную массу помещают в сильное электрическое поле, а затем охлаждают. Под воздействием электрического поля происходит поляризация кристалликов титаната бария, их диполи занимают одинаковое положение, а после охлаждения «замораживаются» в этом состоянии.
Замечательными свойствами обладает пьезокерамика. В процессе изготовления ей можно придать любую форму. Но в то же время она чрезвычайно прочна, а главное, не боится влаги. Пьезоэлектрический эффект у титаната бария в 50 раз больше, чем у кварца, а стоимость его в 100 раз меньше. Пьезоэлектрические пластинки из титаната бария можно изготовлять в больших количествах, потому что сырья для этого сколько угодно.
Вы познакомились с основными видами и свойствами пьезоэлектрических веществ, узнали природу пьезоэлектричества. Где же и каким образом используется это явление в военном деле и в народном хозяйстве?
Начало практическому применению пьезоэлектричества было положено работами знаменитого французского ученого Поля Ланжевена. Рассказом об этих работах, которые проходили при весьма любопытных обстоятельствах, мы и продолжим паше знакомство с пьезоэлектричеством.
ПУТЕВКА В ЖИЗНЬ
В самом начале первой мировой войны произошло трагическое событие. Три английских крейсера стали жертвой немецкой подводной лодки. Они были потоплены один за другим почти одновременно. Так начали действовать подводные лодки – новая грозная и активная сила в войне на море.
Успешность боевых действий подводных лодок непрерывно росла. Особенно усердствовали немецкие подводники. Не проходило и недели, чтобы немецкие подводные пираты не пускали ко дну французский или английский корабль. Но наибольшее число потерь было среди безоружных транспортов и пассажирских судов. Поэтому такие государства, как Англия и Франция, экономика которых почти целиком зависела от морских перевозок, приложили немало усилий для организации борьбы с подводными лодками.
Самое худшее заключалось в том, что подводные лодки были невидимы и надводные корабли не успевали принять меры к защите. Ведь подводную лодку в подводном положении можно обнаружить невооруженным глазом в исключительно прозрачной воде на глубинах не более 10–15 метров, находясь над нею, а на больших глубинах и ночью лодка совершенно невидима.
Было ясно, что для успешной борьбы с подводными лодками необходимы прежде всего приборы, способные обнаруживать их под водой.
Вскоре такие приборы были созданы. Это сделал знаменитый французский ученый-физик Поль Ланжевен. В 1918 году он вместе с русским инженером К. Шиловским предложил использовать для обнаружения подводных лодок ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель.
Своими работами по пьезоэлектричеству и ультразвуку Поль Ланжевен открыл первую страницу в истории целого ряда наук и технических отраслей. Сюда в первую очередь относится гидроакустика – наука, занимающаяся изучением звуковых явлений в воде.
Любопытны обстоятельства, при которых приходилось работать Ланжевену и его сотрудникам. Опыты с ультразвуком Ланжевен проводил в бассейнах, наполненные морской водой. Работы, конечно, были тщательно засекречены. Чтобы сбить немецких шпионов с толку, был пущен слух, что опыты проводятся с мифическими «лучами смерти», а стало быть, подходить близко к бассейнам опасно для жизни. Для большей убедительности этого слуха в бассейн напустили рыб. Каково же было изумление Ланжевена, когда во время опытов он увидел, что рыбы погибли. Ультразвуки действительно оказались «лучами смерти».
Что же произошло и почему погибли рыбы? Ответить на этот вопрос можно после небольшого экскурса в мир звуков и ультразвуков.
Оттяните и отпустите струну музыкального инструмента. Вы услышите мелодичный звук. Под действием колебаний струны возникнут сгущения и разряжения, распространяющиеся во все стороны в виде звуковых волн подобно тому, как бегут волны на поверхности воды, в которую брошен камень.
Частицы воздуха при этом не перемещаются. Они только колеблются, смещаясь вперед и назад на небольшое расстояние. Это колебательное движение передается частицам вещества все дальше и дальше, пока звук не достигнет нашего уха.
Итак, звук – это колебания мельчайших частиц среды, в которой находится источник звука. В этом природа всех без исключения звуков.
В нашем примере источником звука была струна. Однако им может быть и любое другое колеблющееся тело. Если такой источник звука, например колеблющуюся стальную пластинку, поместить в воду, то в воде тоже возникнет звуковая волна. Она также является результатом колебательного движения частиц, но теперь уже частиц воды (рис. 15).
Звук в различных веществах распространяется с разной скоростью. В воздухе – со скоростью примерно 330 метров в секунду, а в воде около 1,5 километра в секунду. Еще быстрее распространяется звук в твердых телах.
В природе существует бесчисленное количество звуков, но очень многие из них человек не слышит. Дело в том, что человеческое ухо воспринимает звуки с частотой от 16 до 18 000—20 000 колебаний в секунду (герц).
Звуки с частотой свыше 20 000 герц называются ультразвуками. Их часто называют еще неслышимыми звуками, потому что они не воспринимаются человеческим ухом. Не слышим мы и звуки, частота которых ниже 16 герц – это инфразвуки.
В природе человек часто сталкивается с явлением эха. Оно наблюдается в горах при отражении звуковых волн от скал, в лесу при отражении от его границ, в городах при отражении звука от стен больших зданий. Явление эха возникает и в воде.
Рис. 15. Помещенная в воду колеблющаяся стальная пластинка является источником звуковых волн
Теперь понятно, почему Поль Ланжевен обратился к звуковым явлениям. Ведь, во-первых, звук в воде распространяется на большие расстояния, а во-вторых, с помощью отраженных эхо-сигналов можно определить расстояние до погруженной подводной лодки.
Конечно, способ измерения расстояний при помощи эха был известен давно. Его пытались использовать для обнаружения различных препятствий, с которыми мог столкнуться корабль. Такие работы начались после того, как в 1912 году весь мир был потрясен ужасной катастрофой – океанский пароход «Титаник» столкнулся с айсбергом и за несколько минут пошел ко дну вместе с тысячами пассажиров. Именно тогда ученые стали конструировать звуковые приборы для обнаружения подводных препятствий.
В качестве источника звука применяли пакет взрывчатого вещества, создававший в воде звуковые волны (рис. 16). Предлагались и другие виды источников звука. Но все они имели один недостаток: излучение звука происходило равномерно во все стороны. А это означало, что нельзя было установить направление, в котором находилось препятствие, отразившее звук. Кроме того, звуковые волны, создаваемые этими источниками, отражались только от больших подводных препятствий – крупных льдин, берега, дна. Нечего было и думать об обнаружении такой маленькой цели, как подводная лодка.
Рис. 16. Обнаружение подводных препятствий при помощи ненаправленных источников звука
Необходимо было найти новый источник, который бы посылал и принимал волны узким пучком в нужном направлении подобно тому как прожектор направляет луч света. Таким источником мог быть только ультразвуковой излучатель.
Но каким образом создать ультразвуковые волны в воде?
После долгих исканий ученые остановились па источнике ультразвуковых волн, главной частью которого была пьезокварцевая пластинка.
Если к электродам кварцевой пластинки подключить источник переменного электрического тока, то пластинка будет сжиматься и разжиматься, т. е, колебаться с частотой электрического тока источника. Колебаний пластинки передаются среде, в результате чего возникает звуковая волна. Если частота переменного электрического тока свыше 20 000 герц, то кварцевая пластинка будет излучать ультразвуки. В этом и заключается принцип работы пьезоэлектрического излучателя.
Так кропотливая и настойчивая работа ученых привела к созданию приборов, играющих немаловажную роль в современной войне на море. Вместе с тем эти работы положили начало практическому применению пьезоэлектричества. Бывшее в течение десятков лет «научным курьезом», не имеющим какой-либо практической ценности, пьезоэлектричество получило путевку в жизнь.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Чтобы обнаружить подводное препятствие, нужно не только излучить ультразвук, но и принять отразившееся эхо. Отраженная волна, встретив на своем пути кварцевую пластинку, воздействует на нее, в результате чего пластинка будет сжиматься и разжиматься. На противоположных электродах попеременно появятся разноименные заряды, которые после усиления и преобразования подаются на индикаторные приборы.
Устройство, позволяющее преобразовать энергию электрического тока в звуковую энергию и, наоборот, звуковую энергию в энергию электрического тока, принято называть акустическим преобразователем. Если при этом используется пьезоэлектрический эффект, то преобразователь называется пьезоэлектрическим.
Пьезоэлектрические преобразователи нашли широкое применение в гидроакустических приборах различного назначения. Чаще всего это либо приемники, служащие только для приема звуковых или ультразвуковых колебаний, либо излучатели, служащие для создания звуковых или ультразвуковых волн.
Однако в ряде гидроакустических приборов, сконструированных для обнаружения подводных лодок, для излучения колебаний и приема отраженных эхосигналов используется один и тот же преобразователь или, как его обычно называют, вибратор. Для переключения преобразователя с передачи на прием применяется специальное коммутационное устройство,
Маленькая кварцевая пластинка не могла создать колебания большой мощности. Чтобы увеличить дальность распространения ультразвука, излучатель должен быть больших размеров. В распоряжении же ученых были небольшие встречающиеся в природе кристаллы кварца.
Рис. 17. Кварцевая мозаика
Выход был найден. На стальной лист, служивший одним из электродов преобразователя, наклеили мозаику из кварцевых пластинок (рис. 17).
Пьезоэлектрическая мозаика набирается из большого числа пластинок как правильной, так и неправильной формы. При этом очень важно, чтобы пластинки плотно прилегали друг к другу.
При наборе мозаики все пластинки должны иметь одинаковую полярность. Это означает, что если сжать мозаику, то на всех пластинках на поверхности, обращенной в одну сторону, должны появиться одноименные заряды. Если же полярность пластинок перепутать, то на одних пластинках возникнут положительные заряды, а на других – отрицательные. Эти заряды будут компенсировать друг друга, и пьезоэффекта не произойдет. Поэтому еще до сборки мозаики на специальном приборе определяют полярность каждой пластинки.
В отличие от излучателя в приемнике не требуется создавать мощных звуковых или ультразвуковых колебаний. Поэтому пьезоэлектрический приемник обычно небольших размеров. Зато в приемниках используются самые чувствительные пьезокристаллы (сегнетова соль, титанат бария). Чем выше чувствительность приемника, тем меньший по силе звук может быть принят.
Пьезоэлектрический приемник состоит из мембраны, на внутренней стороне которой набирается столбик из тонких пьезоэлектрических пластинок. Между пластинками прокладываются электроды из тонкой металлической фольги. Столбик вместе с мембраной вставляется в металлический корпус и плотно зажимается в нем (рис. 18).
Рис. 18. Сегнетоэлектрический приемник
Механические колебания среды воздействуют на мембрану приемника, в результате чего на электродах образуются электрические заряды. Электроды, на которых возникают одноименные заряды, соединены между собой. Общие концы проводов, идущих от электродов, выводятся через сальник к усилителю.
Наряду с пьезоэлектрическими в настоящее время применяются магнитострикционные преобразователи. Магнитострикция – явление, сходное с пьезоэлектричеством.
Рис. 19. Магнитострикционный излучатель
Некоторые металлы, например никель, нержавеющая сталь и отдельные сплавы, обладают способностью при намагничивании изменять свои размеры. Это свойство и называется магнитострикцией.
Магнитострикционные преобразователи имеют вид сплошных или полых стержней с обмоткой, в которой течет переменный ток нужной частоты. Часто тело самого стержня набирается из тонких изолированных друг от друга пластин (рис. 19).
Магнитострикционные преобразователи применяются в тех случаях, когда нужно получить ультразвук сравнительно низких частот, приближающихся к частоте слышимых звуков. Для получения же высокочастотных ультразвуковых волн наиболее эффективны пьезоэлектрические излучатели. Для приема ультразвуковых колебаний также более удобно применять пьезоэлектричество. По сравнению с магнитострикционными пьезоэлектрические приемники гораздо чувствительнее. Поэтому часто делают комбинированные приемо-излучающие системы. Излучатель в таких системах магнитострикционный, а приемник пьезоэлектрический.
ШУМОПЕЛЕНГАТОРЫ
С установкой на надводных кораблях гидролокаторов, способных обнаружить подводные лодки в погруженном состоянии, соперничество между надводными кораблями и подводными лодками не прекратилось. Теперь вопрос стоял так: кто кого раньше обнаружит. Если корабль будет обнаружен первым, то подводная лодка сможет своевременно уклониться и избежать атаки. Более того, учитывая, что дальность действия гидролокатора ограничена; подводная лодка смогла бы еще до обнаружения ее применить смертоносные торпеды по кораблю противника.
Перископ, долгое время бывший основным и единственным средством наблюдения на подводной лодке, не позволял решить этих задач. Применение перископа демаскировало подводную лодку и лишало ее основного преимущества – скрытности. К тому же перископом нельзя было пользоваться при плохой видимости – ночью, в тумане, при густом снегопаде или дожде.
И вот на подводных лодках появились новые приборы наблюдения – шумопеленгаторы – устройства, определяющие направление на источник шума.
Как уже упоминалось, звук в воде распространяется на значительно большие расстояния, чем в воздухе. Еще знаменитый итальянский ученый Леонардо да Винчи говорил, что при помощи погруженной в воду трубы
можно обнаружить далеко идущие корабли. Во времена Леонардо да Винчи были только парусные корабли. Но и они при своем движении создавали шум, вызванный трением корпуса корабля о поверхность воды. С появлением винтовых судов главным источником шума стал гребной винт.
Свойство звука распространяться в воде на значительные расстояния лежит в основе шумопеленгатора. Для обнаружения шумов в корпус подводной лодки вделываются пьезоэлектрические приемники. Звуковые волны воздействуют на мембрану приемника, в результате чего звуковые колебания преобразуются в переменный электрический ток, который после усиления вновь преобразуется в звуковые волны (рис. 20).
Рис. 20. Упрощенная схема шумопеленгатора
В современных шумопеленгаторах принятые звуковые волны можно не только прослушать, но и просмотреть на экранах электронно-лучевых трубок.
Для точного измерения направления на шумящий предмет в корпус подводной лодки вделывается несколько пьезоэлектрических приемников. Располагаясь по кругу или эллипсу, они образуют приемную базу (рис. 21). Чем больше размеры базы, тем больше точность измерения направления на источник шума, т. е. точность пеленгования.
Для обследования пространства и определения направления на шумящий объект применяется специальное устройство, называемое компенсатором. Оно позволяет «поворачивать» базу в разные стороны и по максимальной громкости принятого шума определять направление на него.
Достоинства шумопеленгаторов очевидны. В отличие от гидролокаторов они являются пассивным средством наблюдения: шумопеленгатор не излучает никаких звуков, Поэтому обнаружить его работу невозможно. А эго очень важно для подводной лодки, так как сохраняется ее основное преимущество – скрытность. Дальность обнаружения целей у шумопеленгаторов значительно больше, чем у гидролокатора.
Рис. 21. Акустическая база подводной лодки
И еще одним ценным свойством обладают шумопеленгаторы. При помощи этих приборов опытный специалист-гидроакустик может не только определить направление на шумящий объект, но и классифицировать шум, т. е. определить, какой класс корабля обнаружен. Более того, опытный гидроакустик по характеру шума может определить скорость корабля.
Однако шумопеленгатор имеет и существенные недостатки: он не может измерять расстояние до обнаруженной цели и обнаруживать нешумящие объекты.
В ряде зарубежных Флотов шумопеленгаторы применяются не только на подводных лодках, но и в качестве береговых неподвижных станций для обнаружения подводных лодок противника вблизи крупных военно-морских баз и портов. Приемная база такой станции расположена поблизости от побережья на дне моря и при помощи кабелей связана с приборами, находящимися на берегу. Здесь используются самые большие приемные базы и наиболее чувствительные приемники, позволяющие обнаружить подводную лодку на значительном расстоянии (рис. 22).
В конце второй мировой войны появились торпеды с акустической-головкой самонаведения. Основной частью этой головки был шумопеленгаторный приемник. При помощи электромеханической схемы шумы, преобразованные в электрические сигналы, воздействовали на приборы управления торпедой и направляли ее в кормовую часть корабля (рис. 23).
Рис. 22. Береговая шумопеленгаторная станция
Рис. 23. Акустическая торпеда направляется на источник шума
На надводных кораблях некоторых флотов также устанавливаются шумопеленгаторные станции. Однако применение их затруднено, так как при своем движении корабль создает большие шумовые помехи. Поэтому надводный корабль может эффективно использовать шумопеленгатор только при застопоренном ходе.
