Поющие кристаллы | ТМ 1939-06

Инж. А. МОРОЗОВ

В середине XVII в. в маленьком французском городе Ля-Рошели жил аптекарь Сегнет, очень любивший составлять новые, неизвестные лекарства. В один из осенних дней 1672 г. Сегнет, занимаясь опытами в своей лаборатории, получил крупные прозрачные кристаллы. Исследовав их свойства, аптекарь решил, что кристаллы должны помогать при желудочных заболеваниях. Сегнет не ошибся, и соль, носящая его имя, до сих пор употребляется в медицине как нежное слабительное. Но Сегнету не суждено было узнать, какое иное, гораздо более замечательное будущее откроется перед этими скромными кристаллами.

Прошло более двухсот лет, прежде чем люди обнаружили чудесные свойства, скрытые в кристаллах сегнетовой соли. Эти свойства связаны с особым явлением, названным пьезоэлектричеством (от древнегреческого слова «пьез», что значит «давление»).

Впервые это явление было точно исследовано в 1881 г. известным французским учёным Пьером Кюри. Кюри открыл, что даже небольшие механические усилия, например легчайшее давление, могут вызвать у некоторых кристаллов электрические заряды. Немало крупных открытий в науке было сделано случайно, во время экспериментирования, но Кюри шёл к своей цели другим путём. Он сначала теоретически обосновал бесспорность существования пьезоэлектричества, а потом, проделав опыты, блестяще доказал правильность своей гипотезы.

Кюри внимательно изучил труды учёного Беккереля, который ещё в 1828 г. написал статью о пироэлектричестве (слово «пир» — по-древнегречески значит «огонь»).

Беккерель указал, что если нагревать некоторые кристаллы, то на их концах появляются электрические заряды. Кюри объяснил появление этих зарядов тем, что под влиянием нагрева изменяется расположение молекул кристалла. Но подобные же явления могут произойти, если приложить к кристаллу механические усилия.

На заседании Французской академии наук Кюри сделал сообщение о том, что некоторые кристаллы обладают особым физическим свойством: будучи подвергнуты изменениям температуры, они порождают два разноимённых электрических полюса на оконечностях осей. «Мы нашли новый способ образования полярного электричества в тех же кристаллах, — заявил Кюри: — этот способ заключается в том, что кристаллы подвергаются изменениям давления. Во время сжатия оси кристалла её оконечности заряжаются разноимённым электричеством. Явление возобновляется, но с обратными знаками, если кристалл возвращается в состояние покоя. Те оконечности оси, которые заряжались положительно при сжатии, заряжаются теперь отрицательно, и наоборот».

Некоторые кристаллы обладают замечательным свойством: если их сжимать или растягивать, на их гранях образуются электрические заряды. Так, например, сжатие кварцевой пластины «К» вызывает появление зарядов на электродах «Э». Под влиянием этих зарядов стрелка прибора отклоняется.

Современник Кюри, учёный Липман, основываясь на законе сохранения энергии, пришёл к выводу, что пьезоэлектрические кристаллы должны обладать и обратным свойством: если к ним приложить электрическое напряжение, кристаллы обязательно должны деформироваться. Переменное электрическое поле, следовательно, вызовет колебания кристалла. Кюри на опыте доказал правильность утверждения Липмана.

Если к пластинке пьезокварца подвести переменное напряжение высокой частоты, пластинка начинает быстро колебаться. Колебания могут быть так значительны, что вызывают струю воздуха, которая может погасить пламя спички. Применение этих колебаний в различных приборах и аппаратах огромно.

Кюри обнаружил пьезоэлектрические свойства у многих веществ. Среди них оказались кварц, турмалин, сахар, цинковая обманка и соль, найденная в своё время аптекарем Сегнетом. Но не каждая пластинка, вырезанная из кристаллов этих веществ, обладает необходимыми пьезоэлектрическими свойствами. Пластинку надо «выкроить» соответствующим образом, ориентируясь по осям так называемой оптической оси кристалла и перпендикулярно одной из его электрических осей. Этот срез до сих пор носит имя Кюри. Однако пластинки, вырезанные по способу Кюри, имеют существенный недостаток: их пьезоэлектрические свойства зависят от температуры, колебания которой нарушают ход пьезоэлектрических процессов в кристалле. Учёные стали применять другие срезы, в частности так называемый «косой срез» — наклонно к оптической оси. Можно так рассчитать срез, что температурные колебания совсем не будут оказывать влияния на пьезоэлектрические свойства пластинки.

*

Кюри понимал, что свойства пьезоэлектрических кристаллов таят в себе большие возможности. Однако эти открытые им явления долго не могли найти практического применения. Потребовались целые десятилетия упорных исканий, потребовалось создание всевозможных усилительных приборов и чувствительных электроаппаратов, прежде чем чудесные свойства пьезоэлектрических кристаллов стали приносить пользу людям.

Впервые пьезоэлектрические кристаллы нашли своё практическое применение во время империалистической войны 1914—1918 гг. для борьбы с подводными лодками.

Ещё в 1912 г., после трагической гибели парохода «Титаник», столкнувшегося в тумане с плавучей ледяной горой — айсбергом, многие учёные стали усиленно работать над созданием аппаратов звуковой разведки. Идея этой разведки заключается в следующем. На судне помещается аппарат, излучающий в воду ультразвуковые волны. Эти волны обладают очень высокой частотой (более 20 тыс. колебаний в секунду) и лежат за пределами слышимости. Натолкнувшись на препятствие — скалу, айсберг или подводную лодку, — ультразвуковые волны частично отражаются, возвращаются назад и улавливаются особым аппаратом, соединённым с сигнальными приборами.

Для подводной сигнализации нужны именно ультразвуковые волны. Они распространяются в воде узким концентрированным пучком. Кроме того, они обладают высокой частотой и соответственно незначительной длиной. Длина ультразвуковой волны в воде равна нескольким сантиметрам. Длина же слышимых звуковых волн достигает в воде десятков метров. Встретив подводное препятствие, такая длинная волна обогнёт его, отразившись в очень слабой степени, так же как, например, большая морская волна почти не отразится от маленькой скалы, стоящей на её пути. Только ультразвуковая волна может дать достаточное отражение от подводной лодки или мины. Учёные долгое время не могли создать аппарат, способный излучать и воспринимать колебания высокой частоты. Идея звуковой разведки оставалась не осуществлённой.

Во время империалистической войны необходимость в аппаратах звуковой сигнализации возникла с новой силой. Эти аппараты были насущно необходимы странам Антанты для борьбы с немецкими подводными лодками. Французский учёный Ланжевен, откликнувшись на призыв правительства, решил во что бы то ни стало сконструировать такой аппарат. После долгих опытов он нашёл подходящий материал для излучения колебаний высокой частоты. Таким материалом оказались кристаллы пьезокварца.

В Тулоне, в погребах, наполненных морской водой, Ланжевен производил тщательно засекреченные опыты над пьезокварцами. Из Бразилии привезли кварц необычайного размера. Никто из помощников Ланжевена не был полностью посвящён в суть опытов. Чтобы устранить опасность шпионажа, участникам экспериментов тайком сообщили, что профессор работает якобы над «лучами смерти». Для большей убедительности в один из бассейнов, где происходили опыты, пустили рыб. Каково же было изумление самих инициаторов этого обмана, когда рыбы мгновенно умерли. Оказалось, что колебания высокой частоты разрушили у рыб внутренние органы.

Ланжевен знал, что огромные кристаллы, подобные бразильскому, представляют большую редкость, а для борьбы с подводными лодками потребуется множество пьезоэлектрических пластин. Учёный решил собрать большую кварцевую пластину из маленьких кусочков. Эту «мозаику» Ланжевен заключил между двумя стальными пластинами. Результат оказался неожиданным — мощность ультразвуковой волны во много раз повысилась.

Ланжевен успешно выполнил задачу, поставленную перед ним военными властями. Он дал в руки французских и английских моряков верное средство для обнаружения подводных лодок, а глубинные бомбы доделали остальное. Немало немецких подводных хищников было уничтожено с помощью кварцевой пластинки.

Что же представляет собой прибор звуковой разведки? В воду опускается герметическая труба, оканчивающаяся устройством, напоминающим по внешности фару автомобиля. Это и есть «подводное ухо», одновременно служащее и для посылки ультразвуковых волн. Натолкнувшись на какое-нибудь препятствие — подводную лодку, мину или обломки погибшего корабля, — волны сигнала отражаются и в виде своеобразного эха спустя некоторое время возвращаются к «уху». Эхо-сигнал оказывает давление на пьезокварц, в котором образуется электрический заряд. Этот заряд после соответствующих усилений и преобразований действует на регистрирующие и сигнальные приборы.

«Ухо» непрерывно поворачивается, как прожектор, освещающий ночное небо в поисках врага. Особая шкала показывает, в какую сторону было повёрнуто «ухо» в момент получения эхо-сигнала. Так узнается, в каком направлении находится подводная лодка. Расстояние до неё определяется по тому, через сколько времени приходит к прибору «эхо» ультразвуковых сигналов.

«Подводное ухо» играет большую роль и в мирной жизни морского флота: оно помогает определять глубину моря, обнаруживать айсберги, подводные рифы и скалы и находить дорогу в порт во время тумана.

*

Изобретение Ланжевена было только «первой ласточкой». Вскоре после этого началось триумфальное шествие пьезоэлектрических приборов. Невозможно перечислить в одной статье все области науки и техники, где применяются эти приборы.

При помощи пьезокристаллов на Гавайских островах теперь безошибочно обнаруживают появление голубого жука, уничтожающего урожаи сахарного тростника. Характерные звуки, вызываемые в тростнике этим жуком, улавливаются размещёнными на плантации пьезоэлектрическими приборами, превращаются в едва заметные электрические заряды и передаются по радио или проводам в далёкие пункты, наблюдающие за состоянием посевов.

Небольшие пластинки сегнетовой соли, помещённые вокруг алмазных копей Кимберлея (Южная Африка), надежно охраняют все входы в копи. Никому не удастся пройти незамеченным мимо этих кристаллов, которые улавливают самый тихий шорох. Мгновенно вспыхнут прожекторы и загудят сирены, приведённые в действие незаметной пластинкой и мощными усилителями.

Пьезокристаллы часто называют поющими кристаллами. Пластинки этих кристаллов, помещённые в микрофонах и репродукторах, с изумительной точностью передают пение и игру на любом музыкальном инструменте; но эти же пластинки в сочетании с усилительными и регистрирующими приборами обнаруживают зловещие трески и шумы в плохо рассчитанных деталях самолёта, автомобиля, трансатлантического корабля. Так пьезокристаллы помогают проверять расчёты конструкторов. Почти незаметные, но опасные вибрации пропеллера и крыльев самолёта лучше всего улавливаются тоненькой пластинкой кристалла, едва касающейся поверхности крыла.

С помощью такого пьезоэлектрического микрофона можно «нацеливаться» на источник звука. Направленный, например, на оркестр, микрофон уловит только звуки музыки. Звуки, раздающиеся сзади или сбоку микрофона, хотя бы они были даже очень сильными, на него не подействуют.
а — мембрана микрофона; в — пластинка сегнетовой соли; с — стержень, передающий давление мембраны на пластинку сегнетовой соли.

Огромную область применения нашли пьезокристаллы в нашей стране. Ими пользуются для изготовления аппаратуры дальней телефонной связи и на радиостанциях. Из пьезокристаллов делают приборы, регистрирующие и измеряющие разнообразные динамические процессы и усилия в металлах, газах, жидкостях. Огромные успехи, достигнутые учёными СССР в области ультразвуков, сопровождались ещё более глубоким изучением пьезокристаллов. Эти кристаллы являются в наше время лучшими излучателями колебаний высокой частоты.

Пьезоэлектрическая пластинка является самой важной деталью некоторых измерительных камер для снятия индикаторных диаграмм, показывающих, как работает паровая машина или двигатель внутреннего сгорания. Вот как, например, действует такая камера, сконструированная для изучения работы паровой машины Научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта СССР. Пар давит на мембрану и подвижную шайбу. Шайба, поднимаясь вверх, сжимает кварцевые пластинки, при этом на гранях кристаллов образуются отрицательные заряды. Эти заряды через особые контакты попадают в усилительный прибор. Ток после усиления действует на осциллограф, прибор, записывающий колебания электрического тока на фотоплёнку. Получается диаграмма, которая позволяет судить о мощности паровой машины и правильности рабочего цикла.

При помощи тонкой пластинки пьезоэлектрического кристалла можно «выслушивать» автомобильный мотор, как врач выслушивает легкие у человека. Пьезоэлектрические кристаллы точно обнаруживают, откуда исходят подозрительные шумы, и дают возможность найти их причину.

*

Для своего первого пьезоэлектрического прибора профессор Ланжевен применил самые дорогие и крупные кристаллы бразильского кварца. Далеко не все кварцы обладают одинаковыми пьезоэлектрическими свойствами. В различных странах кварцевые мастерские пилят и шлифуют кристаллы кварца, готовя его для самых разнообразных целей, и мирных, и военных. «Охотники за кварцем» во всех концах мира отыскивают его месторождения и отбирают лучшие образцы. В нашей стране найдены замечательные залежи кварца на Северном Урале. На горах Сура-Из и Неройке обнаружены гигантские кристаллы, отличающиеся правильной формой и высокими пьезоэлектрическими свойствами.

Но пьезоэлектрические кристаллы могут быть найдены не только в непроходимых дебрях и далёких приполярных окраинах. Их можно изготовить искусственным путём в лабораториях в таком количестве, какое только потребуется для промышленности. И здесь мы опять возвращаемся к кристаллам сегнетовой соли. Ещё Кюри, исследуя в своей лаборатории различные вещества, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, нашёл, что сегнетова соль создаёт заряды, потенциал которых во много раз больше потенциала зарядов кварца. При одной и той же приложенной силе кристалл сегнетовой соли может дать пьезоэлектрический заряд в три тысячи раз больший, чем кристалл кварца. Но сегнетова соль долгое время «не давалась» в руки техников, стремившихся приспособить её для своих целей. Эту соль легко получить в виде мелких кристаллов, но для пьезоэлектрических приборов требуются большие однородные кристаллы. Добыть такие кристаллы сегнетовой соли очень трудно: для этого нужны специальное оборудование и кропотливая, точная работа. Кроме того, сегнетова соль крайне чувствительна к изменениям температуры и влажности окружающего воздуха. Все эти причины долгое время мешали использовать замечательные пьезоэлектрические свойства сегнетовой соли.

Только в самые последние годы учёные нашли способ устранить эти недостатки. В 1932 г. американский учёный Совайер после многих лет упорной и кропотливой работ над кристаллами сегнетовой соли опубликовал некоторые результаты своих исследований. Но прошло ещё несколько лет, прежде чем лаборатория, в которой он работал, справилась с техническими трудностями изготовления крупных кристаллов соли. Теперь в этой лаборатории получают кристаллы длиной в 60 сантиметров и весом до 2 килограммов.

В лабораториях можно получать гигантские кристаллы сегнетовой соли, обладающие высокими пьезоэлектрическими свойствами. На снимке — один из таких кристаллов-гигантов. Его длина —  60 сантиметров, ширина — 9 сантиметров, толщина — 5 сантиметров.

Кристаллы-гиганты распиливаются на пластинки. В зависимости от назначения пьезоприборов употребляются различные срезы (уничтожающие вредные температурные влияния), различные способы шлифовки и соединения пластинок между собой. Можно так выбрать и соединить две пластинки сегнетовой соли, что под влиянием приложенного напряжения одна из них будет растягиваться, а другая сжиматься. Пара подобных пластинок называется биморфным элементом и является настоящим сердцем большинства пьезоэлектрических приборов.

«Сердце» пьезоэлектрического микрофона —  две пластинки сегнетовой соли, образующие биморфный элемент. Элемент подвешен на пружинах в кожухе из металлической сетки.

Биморфному элементу под влиянием внешних электрических полей можно придать какие угодно колебания: он будет изгибаться и даже скручиваться. Если три угла пластинки закрепить неподвижно, а четвёртый оставить свободным, то этот последний угол будет двигаться очень интенсивно. Такая сильная «чувствительность» биморфной пластинки позволяет с большим успехом использовать её для излучения волн любой частоты.

Столь же сильно сказывается и обратное явление: под влиянием самых ничтожных механических воздействий биморфные элементы заметно заряжаются электричеством. Быстрые изгибания пластинок сегнетовой соли могут вызвать образование такого электрического заряда, что им можно зажечь неоновую лампу и даже получить небольшую искру.

Биморфные звуковые элементы иногда соединяются в целые «магазины», которые можно настроить на любую волну, т. е. на звуковые колебания любой частоты. Такие «магазины» можно уподобить звуковому микроскопу. В соединении с другими приборами они могут уловить и превратить в сигналы звуковые волны с ничтожной частотой колебаний. Выражаясь фигурально, они могут превратить чуть слышный писк летучей мыши в оглушительный рёв сирены. Кристаллы сегнетовой соли дают сигналы о самых неуловимых хрипах в лёгких и подозрительных тонах в биении больного сердца. Они могут обнаружить в деталях машин такие ничтожные вибрации, которые не улавливаются никакими другими приборами.

Акустические приборы с сегнетовой солью позволяют плохо слышащим людям улавливать каждый звук на сцене, каждое слово оратора на собрании.

*

Пьезоэлектричество — очень молодая отрасль науки и техники: со времени появления первых пьезоэлектрических приборов прошло немногим более двадцати лет. Пластинки сегнетовой соли начинают находить своё применение только сейчас. Первые же опыты показывают, что по своим качествам они в некоторых отношениях выше пьезокварца. Нет сомнения, что кристаллы сегнетовой соли имеют большое будущее. Их значение будет особенно велико в различных отраслях телефонии и радиотехники. Чудесные свойства этих кристаллов окажут неоценимые услуги для установления чёткой и бесперебойной связи между самыми отдалёнными пунктами нашей необъятной страны.