Пьезоэлектричество: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Рис. 10. Кристалл кварца и его координатные оси. Каждой оси соответствует бесчисленное множество параллельных направлений.

Ось z, проходящая через вершины кристалла, называется главной, ось х — электрической, а ось у — механической. В кристалле кварца имеется 3 электрических и 3 механических оси. В направлениях х1, х2, x3 свойства кварцевого кристалла одинаковы. Они также одинаковы и в направлениях y1, y2, y3. Таким образом, кристалл кварца состоит как бы из трёх одинаковых, повторяющихся частей. Подобные тела называются симметричными.

На рис. 11 изображены круг, шестиугольник и пятиконечная звезда. Всё это примеры симметричных фигур. Из рисунка видно, что каждую симметричную фигуру можно разделить на несколько одинаковых частей линиями, получившими название осей симметрии.

Рис. 11. Примеры симметричных фигур — круг, шестиугольник и пятиконечная звезда.

Если вас и ваше отражение в зеркале изобразить на бумаге, то также получится симметричная фигура, причём линия, изображающая на рисунке плоскость зеркала, будет осью симметрии. Путём поворота вокруг оси симметрии симметричные части фигуры можно совместить друг с другом.

На рис. 12 показан параллелограмм. Точка С, в которой пересекаются его диагонали, является особой точкой. В каком бы направлении мы ни проводили через неё прямую линию, отрезки, отсекаемые на этой прямой противоположными сторонами параллелограмма, всегда будут равны между собой (СМ = СН, CM1 = СH1 и т. д.). Точку С называют центром симметрии данной фигуры.

Рис. 12. Центр симметрии параллелограмма.

В кристаллографии понятия симметрии и центра симметрии имеют более широкий смысл. Здесь под словом симметрия понимается не только закономерная повторяемость одинаковых по форме и размеру частей кристалла, но и повторяемость его физических свойств — упругости, твёрдости и т. д. Если провести через центр симметрии кристалла произвольную прямую, то эта прямая пересечёт поверхность кристалла в двух одинаково удалённых от центра точках. Более того, в любых равноудалённых от центра симметрии точках, лежащих на такой прямой, физические свойства кристалла будут одинаковы.

Но далеко не все кристаллы обладают центром симметрии. По своей симметричности кристаллы разделены на 32 класса. Кристаллы 21 класса не имеют центра симметрии. Такие кристаллы называются ацентричными, то есть не имеющими центра.

4. Кристалл кварца

Мы познакомились с общими свойствами кристаллов.

Рассмотрим теперь частный случай — свойства кристалла кварца, который является типичным представителем ацентричных кристаллов.

Кварц представляет собой одну из разновидностей кремнезёма; он составляет около 12 % земной кары и встречается в виде песка, бесформенной гальки и монокристаллов. Месторождения кристаллов кварца в СССР находятся на Урале, в Средней Азии, на Кавказе, в Забайкалье и других местах.

Кварцевые кристаллы имеют различную окраску. Прозрачные бесцветные кристаллы кварца, как мы уже упоминали, называют горным хрусталём. Прозрачные кристаллы фиолетового цвета известны под названием аметистов, а жёлтого — цитринов. Встречаются также полупрозрачные дымчатые и даже совершенно чёрные кварцевые кристаллы.

Окраска кварца не зависит от его кристаллической структуры. Она обусловлена примесями красящих веществ.

Кристаллы кварца обладают рядом замечательных свойств.

Кварц очень твёрд. По твёрдости он уступает лишь алмазу, корунду и топазу. Прочность и упругость кварца также весьма высоки. Чтобы разорвать кварцевый кристалл с поперечным сечением в один квадратный сантиметр, необходимо приложить силу около тысячи килограммов. При этом в момент разрыва кристалл становится длиннее всего лишь на одну тысячную долю своей первоначальной длины. Для сравнения отметим, что свинцовый стержень перед тем как разорваться, удлиняется почти вдвое.

Чтобы раздавить кварцевый кубик объёмом в один кубический сантиметр, нужно положить на его поверхность груз весом в несколько тонн.

Кварц очень плохо проводит электрический ток и незначительно расширяется при нагреве.

Если кварцевый кристалл нагреть до 1500–2000 градусов, он расплавится. Тогда из кварца, как из обычного стекла, можно изготовлять бокалы, трубки, посуду для лабораторных опытов и т. д. По виду такая посуда не отличается от стеклянной. Однако хрустальный бокал можно раскалить докрасна и затем бросить в ледяную воду — это не причинит ему ни малейшего вреда. А обычный стеклянный стакан нередко лопается, когда в него наливают кипяток.

Кварц химически устойчив. Он не растворяется ни в одной из кислот за исключением плавиковой[2]. При высоких температурах и давлениях кварц растворяется в водном растворе соды.

Каждое лето многие из нас загорают на солнце. Загар образуется в результате действия на кожу невидимых ультрафиолетовых лучей, содержащихся в солнечном свете. Но тщетно пытались бы мы загореть от света обычной электрической лампы — простое стекло, из которого делаются баллоны ламп, не пропускает этих лучей. Если же баллон лампы изготовить не из стекла, а из плавленного кварца, то её свет также будет вызывать загар, так как кварц свободно пропускает ультрафиолетовые лучи.

Кварцевые лампы широко используются в медицине; их часто называют горным или искусственным солнцем.

Но самое интересное свойство кварцевых кристаллов было обнаружено в конце прошлого века, в 1880 г., французскими учёными-физиками Пьером и Жаком Кюри. Это открытие состояло в следующем.

Если из кварцевого кристалла вырезать пластинку (рис. 13) так, чтобы её большие грани были перпендикулярны координатной оси х, и поместить эту пластинку между двумя металлическими пластинами (электродами), то при сжатии кварцевой пластинки в направлении оси х на электродах появятся равные по величине, но различные по знаку заряды.

Рис. 13. Кварцевая пластинка.

Это можно заметить, присоединив к электродам электрометр — прибор для обнаружения электрического заряда (рис. 14, а).

[2] Плавиковая кислота — химическое соединение фтора и водорода, растворённое в воде. Это очень сильная кислота. Она растворяет многие вещества. Плавиковую кислоту хранят в сосудах из парафина или эбонита, на которые она не действует.