Чудесные кристаллы - [5]

На этом явлении необходимо остановиться подробнее, так как оно лежит в основе пьезоэлектричества.

Поляризация диэлектриков заключается в образовании внутри вещества так называемых электрических диполей. Электрическим диполем называют частицу вещества, содержащую два разноименных заряда, находящихся на некотором расстоянии один от другого (рис, 6). Поэтому электрический диполь — своего рода маленький заряженный конденсатор с двумя разноименными полюсами. От греческого слова «полюс» и произошло название явления поляризации.

Как же происходит образование электрических диполей в диэлектриках?

Вы уже знаете, что отрицательно заряженные частицы атома — электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Центр тяжести вращающихся электронов находится в центре орбит, по которым они вращаются, т. е. в центре положительного ядра. А это означает, что положительные и отрицательные заряды как бы сосредоточены в одной точке. Но поскольку заряды всех вместе взятых электронов и ядра по величине равны, то они нейтрализуют друг друга. Вот почему мы и говорим, что в обычном состоянии атом электрически нейтрален.

> Рис. 6. Электрический диполь напоминает заряженный конденсатор с разноименными полюсами

Но стоит только поместить диэлектрик в электрическое поле, как связанные и неотделимые друг от друга положительные и отрицательные заряды (электроны и ядра) словно по команде смещаются относительно друг друга: электрон — в сторону положительного полюса, ядро — в противоположную. При этом орбита электрона слегка вытягивается (рис. 7).

В результате смещения зарядов центры тяжести разноименно заряженных частиц уже не будут совпадать. А это значит, что образовался электрический диполь. Поскольку в диэлектрике образуется множество таких диполей и все они своими полюсами направлены! в одну сторону, то это равносильно тому, что весь диэлектрик превратился в электрически заряженный конденсатор. Это- явление и называется поляризацией диэлектрика.

В природе, оказывается, существуют такие вещества, которые и без воздействия электрического поля имеют дипольную структуру. Они получили название полярных диэлектриков, к которым и относятся пьезокристаллы.

Каждая ячейка пространственной решетки любого пьезокристалла представляет собой электрический диполь. Этот диполь образован центрами тяжести групп отрицательных и групп положительных частиц, составляющих ячейку. Центры тяжести групп разноименно заряженных частиц в ячейке не совпадают потому, что пьезокристаллы не имеют центра симметрии.

Таким образом, пьезокристаллы полярны из-за отсутствия центра симметрии. Кристаллы, имеющие центр симметрии, неполярны и поэтому не могут быть пьезоэлектрическими.

> Рис. 7. Смещение ядер и электронов в диэлектрике, помещенном в электрическое поле, приводит к образованию электрических диполей

Посмотрите на ячейку-кубик кристалла поваренной соли. Она представляет собой правильный куб с шестью квадратными гранями. Центр симметрии такого куба находится в точке пересечения диагоналей. В вершинах куба расположены четыре отрицательных иона хлора и четыре положительных иона натрия. Как положительные, так и отрицательные ионы расположены одинаково относительно центра куба. А это значит, что центры тяжести положительных и отрицательных групп ионов находятся в одной точке — в центре куба, т. е. в центре его симметрии.

Попробуйте мысленно сжать ячейку-кубик кристалла поваренной соли. Кубик превратится в параллелепипед (рис. 8). Но и в этом случае центры тяжести положительных и отрицательных групп ионов будут лежать в одной точке. Следовательно, и в нормальном состоянии, и при механическом воздействии кристалл поваренной соли не имеет дипольной структуры, значит, он не полярный.

В кристаллах, не имеющих центра симметрии, вы будете наблюдать другую картину. Если подвергать такие кристаллы сжатию или растяжению, то под воздействием механической силы электрические диполи будут занимать определенное положение, в результате чего возникает электрическая поляризация (рис. 9).

> Рис. 8. Если сжать ячейку кристалла поваренной соли, то центры тяжести положительно и отрицательно заряженных ионов останутся в одной точке — центре симметрии

> Рис. 9. Под воздействием механической силы диполи занимают определенное положение

Итак, причиной поляризации кристаллов является отсутствие центра симметрии, или дисимметрия кристаллов. К этому выводу и пришли братья Кюри, изучая поляризацию кристаллов.

К этому времени были уже открыты основные законы кристаллографии и свойства кристаллов были изучены довольно хорошо. Было известно, что все монокристаллы можно разделить на две группы — кристаллы, имеющие центр симметрии, и кристаллы, не имеющие его. Проводя опыты над различными группами, братья Кюри заметили, что пироэлектричество, т. е. выделение электрических зарядов на поверхности кристаллов при их нагревании, наблюдается только у кристаллов, не имеющих центра симметрии. Следовательно, дисимметрия кристаллов и является причиной образования электрических зарядов.

А можно ли другим путем выделить электрические заряды, например, сжав или растянув кристалл? Ведь сжатие и растяжение сопутствуют охлаждению и нагреванию тела. Произойдет ли в этом случае поляризация?