Пьезоэлектричество

Согните в дугу тонкую стальную пластинку и затем отпустите её. Она выпрямится и примет первоначальную форму. Это происходит под воздействием внутренних сил упругости, которые обусловлены сцеплением между атомами металла. Силы сцепления атомов и молекул в разных веществах различны. Так, в свинце они намного меньше, чем в стали. Поэтому и упругость пластинки из свинца во много раз ниже, чем упругость стальной пластинки. Действительно, согнув свинцовую пластинку, легко убедиться, что она уже не выпрямится, а сохранит ту форму, которую ей придали при сгибании.

Возьмите обыкновенную школьную резинку. В каком направлении её ни сдавливать, она одинаково упруга. Значит, упругие свойства резины не зависят от направления приложенной силы. Тела, у которых упругость, прочность и другие физические свойства одинаковы во всех направлениях; называются изотропными. Слово «изотропный» имеет греческое происхождение и означает — одинаковый по всем направлениям. К числу изотропных относятся аморфные тела, а также полукристаллические тела при условии, что зёрна-кристалики в них расположены друг относительно друга в полном беспорядке (примером таких тел могут служить литые металлы).

Но изотропны далеко не все тела. Взгляните на кусок дерева. Он имеет волокнистую структуру. Расколоть полено поперёк волокон очень трудно, потому что их нужно перерубить. Вдоль волокон расколоть полено гораздо легче, так как в этом случае достаточно лишь отделить волокна друг от друга не перерубая их. Следовательно, прочность дерева в различных направлениях не одинакова. Тела, обладающие одинаковыми физическими свойствами в одинаковых направлениях и различными в разных, называются анизотропными. Слово «анизотропный» означает — различный в разных направлениях. В качестве примера анизотропных веществ можно назвать такие, как прокатанный металл или проволока, зёрна которых расплющены и вытянуты в определённом направлении.

К числу анизотропных веществ относятся и монокристаллы. Силы сцепления между атомами и молекулами, образующими кристаллическую решётку, в разных направлениях различны. Поэтому для многих кристаллов характерна спайность — способность раскалываться по определённым плоскостям. Это свойство легко обнаружить, например в слюде, которая свободно расщепляется на параллельные слои.

Изотропность или анизотропность различных веществ часто характеризуется их твёрдостью.

Твёрдость — это способность тела сопротивляться проникновению в него другого тела, имеющего форму острия.

Раскалите докрасна стальную пластинку и затем опустите её в холодную воду. Такая операция называется закалкой. Закалённая пластинка значительно твёрже незакалённой. Это легко обнаружить, царапая пластинки каким-либо остриём. На незакалённой пластинке царапина будет заметно глубже, чем на закалённой.

Твёрдость изотропных веществ одинакова во всех направлениях. Твёрдость анизотропных веществ различна в зависимости от направления.

Это нетрудно проверить, слегка ударив каким-либо закруглённым остриём по определённой грани кварцевого кристалла. В результате удара на поверхности кварца образуется трещина, имеющая треугольную форму. Если же ударить тем же остриём по пластинке из воска, то форма углубления будет круглой.

Оптические свойства кристаллов, их теплопроводность и другие свойства также различны в разных направлениях.

Покройте боковую грань кристалла кварца воском. Затем коснитесь середины грани кончиком нагретой иглы. Поверхность кварца воспримет тепло, и воск вокруг иглы расплавится. Если бы теплопроводность кристалла была равной во всех направлениях, расплавленный участок имел бы вид круга. В действительности же этот участок имеет форму эллипса (рис. 8).

Рис. 8. Опыт, показывающий, что теплопроводность кварцевого кристалла зависит от направления.

Это означает, что теплопроводность кристалла различна в разных направлениях.

Чтобы знать свойства кристалла в любом направлении, нужно установить несколько основных, особо характерных направлений, так называемых координатных осей. Тогда направление любой прямой легко определить, измерив углы между этой прямой и осями.

В кристаллографии часто пользуются прямоугольной системой координат. Эта система состоит из осей, проходящих в трёх взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 9).

Рис. 9. Прямоугольная система координат.

Координатные оси обозначаются латинскими буквами х, у и z (читается: икс, игрек, зет). Ясно, что каждой оси отвечает бесчисленное множество воображаемых параллельных линий, поскольку в одних и тех же направлениях свойства кристалла неизменны.

Для примера на рис. 10 показан кристалл кварца и его координатные оси.

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