Чудесные кристаллы

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.