В. Рачков - Чудесные кристаллы

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.

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.

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.

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.