> Техника, страница 75 > Пьезоэлектричество

Пьезоэлектричество

Пьезоэлектричество (пиезоэлек-тричество), свойство многих тел, гл. обр. кристаллов, обнаруживать электрич. заряды при сжатии или растяжении (прямой пьезоэлектрич. эффект) и менять свои раз-, меры под действием электрич. сил (обратный эффект). Основное явление было открыто братьями Пьером и Жаком Кюри (1880 г.) на кристалле турмалина; ими же были указаны и другие кристаллы. Наиболее детально обследован кварц, на к-ром и были собственно установлены основные законы явления. Если из кристалла кварца (фигура 1) вырезать пластинку перпендикулярно к оси X, называемой электрической осью, и, наложив на нее с обеих сторон металлич. электроды, соединенные с электрометром, сжать, то электрометр покажет, что на элек троцах выделились равные и противополож ные по знаку электрич. заряды. Количества выделившихся электричеств прямо пропорциональны сдавливающим силам и не зависят ни от площади ни от толщины пластинки. Обратно, если растягивать пластинку в том же направлении, в к-ром производилось сжатие, то на электродах выделяются, заряды, противоположные по знаку тем, которые выделялись при растяжении. Эти явления и составляют прямой пьезоэлектрич. эффект. Если теперь ту же пластинку поместить в электрич. поле, наэлектризовав наложенные на нее электроды противоположными зарядами, то пластинка сожмется по толщине, если заряды эти выбраны противоположно тем, которые образуются при сдавливании, и расширится, если эти заряды совпадают по знаку с теми, которые образуются при сдавливании. Это—обратный пьезоэлектрич. эффект, теоретически предсказанный Липпма-ном (1880 г.) и экспериментально обнаруженный теми же Кюри. Кроме того Кюри обнаружили, что и в направлении оси Y (позднее получившей название механической о с и) происходит изменение длины: именно пластинка сокращается в этом направлении, когда заряды, наложенные на поверхности, перпендикулярные к оси X, таковы, что по· направлению оси×происходит удлинение; и обратно, если растягивать или сжимать пластинку по направлению оси У, то на поверхностях, перпендикулярных к оси X, появляются электрич. заряды. Позднее Фохт (к-рому принадлежит весьма полная разра-

<¥
	/У
	:/..
	У

Фигура 1. Фигура 2.

ботка и исчерпывающее изложение П.) показал, что и в Других направлениях в кварце· существуют прямой и обратный пьезоэлектрич. эффекты, например при наложении поля в направлении оси У кристалл перекашивается и т. д. Существуют также направления в кристалле, в которых пьезоэлектрич. эффект не наблюдается, например пластинки кварца, вырезанные перпендикулярно оси Z, при сжатии не электризуются, а при электризации (наложении электрического поля по направлению Z) не деформируются. Как и пироэлектричество (смотрите), П. есть следствие кристаллич. структуры и наблюдается только в крист, которые имеют такие оси симметрии, на концах которых кристаллы ограничены различно; только в таких направлениях и проявляются пьезоэлектрич. заряды. В кварце например такими направлениями служат электрич. и механич. оси, которых собственно 3 пары (фигура 2), но не оптич. ось Z. Все вышеописанные явления повторяются в любом из этих направлений; кроме того они наблюдаются и во многих других направлениях, хотя и в иных размерах; наконец даже при сложных механич. воздействиях на кристалл, например при всестороннем еда-

вливании (турмалин, но не кварц). Пьезо-электрич. свойствам кристаллов обязан своим происхождением и т. н. ложный пиро-электрич. эффект — появление зарядов при нагревании, если последнее неравномерно и поэтому вызывает в кристалле внутренние механич. напряжения, в свою очередь вызывающие пьезоэлектрич. заряды.

Способы обнаружения пьезоэлектрич. эффекта сводятся к трем. 1) Способ Кундта (1883 г.): сжатый или растянутый кристалл тотчас же посыпается хорошо смешанным порошком серы и сурика; вследствие того, что частицы сурика и серы при смешении электризуются (сера—отрицательно, а сурик—положительно), они оседают: сера на тех местах кристалла, где выделяются положительные пьезоэлектрич. заряды, окрашивая эти места в желтый цвет, а сурик— там, где заряды отрицательны, окрашивая их в красный цвет. Вместо смеси сурика и серы Бюркер (1900 г.) предлагает применять (как более действительную) смесь кармина и ликоподия. 2) Способ нанесения (наклейка, прикладывание) на кристалл электродов, сообщаемых с электрометром, имеет то преимущество перед первым, что пригоден для измерений. 3) Способ возбуждения в кристалле пьезоэлектрических колебаний (смотрите Пьезокварц) принадлежит Гибе и Шайбе (1925 год) и особенно удобен для весьма малых кристаллов и порошков. Важнейшие пьезоэлектрич. кристаллы следующие: кварц, турмалин, сегнетова соль, сахар, цинковая обманка, пентаэритрит, борацит, хлорат натрия. Для характеристики пьезоэлектрич. эффекта приводятся следующие данные. Пластинка кварца, вырезанная перпендикулярно к электрич. оси, давала в опытах Кюри при нагрузке в 1кг 0,06 V; турмалин при такой же нагрузке—0,05 V; сегнетова соль дает приблизительно в 3 000 раз больше. При наложении потенциала в 1 V на пластинку кварца в 0,5 сантиметров толщиною, вырезанную перпендикулярно электрич. оси, пластинка сжимается на 10~³ см, то есть на 0,01 та. Пьезоэлектрич. свойства кварца и турмалина весьма мало зависят от t°; но сегнетова соль резко отлична от них в этом отношении: она обладает громадными по сравнению с ними пьезоэлектрич. свойствами, но только в интервале —25° -У +25°; вне этих пределов она пьезоэлектрична почти как кварц. Пьезоэлектрич. измерения много надежнее .чем пироэлектрические, однако полного изучения пьезоэлектрич. кристаллов мы еще не имеем.

Теория пьезоэлектрич. эффекта с точки зрения описательной особенно полно развита Фохтом (1910 год), а с молекулярной— проф. Богуславским и герм, ученым Борном. Последний рассматривает кристалл как совокупность положительных и отрицательных ионов, расположенных правильными рядами и составляющих т. н. пространственную кри-сталлич. решетку (смотрите Кристалл). Деформации такой решетки вызывают перемещения ионов, что обнаруживается изменением электрич. поляризации решетки и представляет собою пьезоэлектрич. эффект. Теория Борна весьма сложна; до численного расчета она доведена только для кристаллов простейшей формы.

Технические приложения пьезоэлектрического эффекта. Пер вое применение принадлежит самим братьям Кюри, к-рые, с одной стороны, пользовались пластинкой кварца, вырезанной перпендикулярно электрич. оси и растягиваемой грузом по механич. оси для получения заданных электрич.зарядов, а с другой стороны,— предлагали пьезоэлектрич. манометр — такую же пластинку, нагрузка на к-рую измеряется по заряду, ей выделяемому. В 1915 г. академик Б. Голицын устроил сейсмич.маятник, существенной частью которого являлась пластинка кварца, на к-рую давил груз; при колебаниях всей системы это давление менялось вследствие развивающихся сил инерции груза, прибор этот измерял так. образом силы инерции или ускорения. Д. Д. Томсон (1917 год) предлагал измерять давление овых газов в стволе орудия, помещая туда пластинку кварца с соответственно расположенными электродами, но способ этот не получил распространения. Кейс (1921 год) устроил на этом принципе прибор, измерявший давление ных волн в воде и произвел с ним соответственные измерения. Прибор Кейса состоял из камеры, наполненной вазелином, в которой были вложены кристаллы турмалина; последний дает пьезоэлектрич. эффект при всестороннем сжатии. Весь прибор помещается в воду, а провода от него подводятся к регистрирующему прибору. Наконец совсем недавно Клюге и Лиик устроили пьезоэлектрич. прибор, служащий для измерения давления, и с успехом применяли его для записи хода давления в двигателях внутреннего сгорания. Существенная часть прибора изображена на фигуре 3.

Здесь Q, Q—кварцевые пластинки, положенные так, чтобы одинаковые заряды выделялись при сжатии на электроде Е; другим электродом служит самый корпус прибора. Прибор помещается нижней стороною на отверстие в корпусе мотора, а электроды прибора через усилитель сообщаются с осциллографом. Несомненно, что подобные вышеописанным приборы могут найти себе применение и в вопросах транспорта, например прибор Голицына с некоторыми изменениями может послужить для измерения ускорений при колебаниях движущегося вагона и паровоза, давления на рельсы и тому подобное.

Изменение размеров пьезоэлектрич. кристалла при наложении электрич. поля в подходящем направлении может служить мерой этого электрич. поля, а следовательно и потенциала, и еще сами братья Кюри устроили вольтметр на принципе двойной пластинки кварца, склеенной из двух пластинок т. о., что при наложении поля на них одна расширяется, другая сжимается, в результате чего двойная пластинка изгибается. С тонкими пластинками удавалось строить приборы для измерений напряжений до 1 500 V с точностью ок. 5 V, с пластинками в 1 миллиметров—до 50 000 Y с точностью ок. 200 V. Венте (1922 год) устроил для той же цели прибор с зеркальцем. На таком же или аналогичных принципах позднее (Винн-Виллиамс, Вуд, 1925 г.) были построены и осцилло· 1 р а ф ы, но не получили распространения вследствие их малой чувствительности.

Фигура з.

Неоднократно строились также микрофоны из пьезоэлектрич. кристаллов, т. к. переменное сжатие, приносимое к кристаллу звуковой волной, создает на его концах переменное напряжение, которое затем обычно усиливается. Кварц для этого недостаточно чувствителен, и для приема звуковых волн в воздухе обычно пользовались сегнетовой солью. Микрофон Никольсона (1924 год) устроен на свойстве кристалла сегнетовой соли обнаруживать пьезоэлектричество при закручивании (смотрите Микрофон, фигура 23); подобный же микрофон, работающий без всякого усиления, устроил в СССР А. М. Яковлев (1928 год). Возможны и другие схемы постройки микрофонов из сегнетовой соли. Если передавать на кристалл давление от граммофонной иголки и получаемые заряды передавать через усилитель на громкоговоритель, то получится пьезоэлектрический адаптер (Раис, 1927 г.). Наконец и громкоговорители неоднократно устраивались с пьезоэлектрич. кристаллами, гл. образом с сегнетовой солью. Наиболее известный из них принадлежит Никольсону (1925 год) и устроен на принципе закручивания кристалла, как и его микрофон. Все эти приборы, несмотря на весь их интерес и возможное будущее, не получили широкого распространения вследствие малости пьезоэлектрич. эффекта даже в сегнетовой соли и в особенности вследствие неустойчивости последней, которую еще не удалось преодолеть. Деформации и напряжения, появляющиеся в пьезоэлектрическ. кристалле вследствие наложения на него электрич. поля, влияют на его оптич. свойства, и это обстоятельство было использовано нек-рыми изобретателями для регулирования светового луча в телевизионных аппаратах (Хартлей, 1925 г.). Чрезвычайно широко применяются пьезоэлектрич. свойства кварца в радио (смотрите Пьезокварц и Стабилизация частоты).

Jjum.: А яд р e е в Н. К., Равновесие и колебания пьезоэлектрич. кристалла (обзор), «Журнал прикладной физики», 1928, т. 5, стр. 119,- С a d у W. О., Bibliography on Piezoelectricity, «Proceedings of the Instit. of Radio Engineers», N. Y., 1928, p. 521; F a 1-kenliagen H., Pyro- u.Piezoelectricitat, Handbuch d. Physik, hrsg. v. H. Geiger u. K. Sciieel, B. 13, B., 1928; Hoffman H., Eleetrostatik, Handbuch d. Experimentalphysik, hrsg. v. W. Wien u. F. Harms, B. 10, Lpz., 1930. H. Андреев.