В. Рачков - Чудесные кристаллы

Кристаллы обладают еще одним общим свойством — они симметричны Посмотрите на кристаллы воды — снежинки. Они состоят из нескольких совершенно одинаковых частей. Такие тела называются симметричными, а плоскости, разделяющие одинаковые части, — плоскостями симметрии. Примерами симметричных геометрических фигур могут служить круг, квадрат, параллелограмм (рис. 5).

Для симметричных тел свойственно понятие центра симметрии. У круга он находится в центре, у параллелограмма — в точке пересечения его диагоналей. Однако у многих кристаллов центра симметрии нет.

Понятие центра симметрии у кристаллов гораздо шире, чем у прочих симметричных тел. Если до этого мы рассматривали симметрию различных тел только по форме, то симметрия кристаллов заключается не столько в форме, сколько в физических свойствах — прочности, твердости, электропроводности и других. Так, например, если разрезать кристалл кварца по плоскостям симметрии на разные части, то каждая из них будет похожа на другую не только по форме, но и по своим физическим свойствам.

Благодаря свойству симметрии ученые распределили все существующие в природе кристаллы по классам и системам, что очень помогает при описании и изучении их. Оказалось, что по симметрии кристаллы делятся на 32 класса. При этом только 12 классов имеют центр симметрии, а остальные 20 его не имеют.

Но самым примечательным оказалось то, что только кристаллы, не имеющие центра симметрии, обладают пьезоэлектрическими свойствами. Только они в результате механического воздействия способны выделять электрические заряды.

Какова же природа пьезоэлектричества? Почему пьезоэлектричество наблюдается только у кристаллов, не имеющих центра симметрии, и не может наблюдаться у других?

Вскоре после открытия электрического тока стало известно, что все окружающие нас вещества можно разделить на две большие группы. Вещества первой группы проводят электрический ток, почему и получили название проводников. К ним относятся, например, все металлические тела. Другие вещества вообще тока не проводят — их назвали изоляторами, или диэлектриками. К ним относятся фарфор, стекло, мрамор и др. Между этими группами веществ находится еще одна большая группа — полупроводники.

Почему металл проводит ток, а диэлектрик не проводит? Ведь и тот и другой состоит из атомов, т. е. из ядер, окруженных электронными оболочками. Дело в том, что в проводниках электроны слабо связаны со своими ядрами. Если металлический проводник расположить между отрицательным и положительным полюсами электрической батареи, то электроны под действием электрического поля легко оторвутся от своих ядер и устремятся к положительному полюсу. Такое движение свободно заряженных частиц (зарядов) и называется электрическим током .

Совсем другое наблюдается в диэлектриках. В них электроны крепко связаны со своими ядрами и даже сильное электрическое поле не может их разъединить. А раз нет движения свободных электрических зарядов, то нет и электрического тока. Однако в диэлектриках происходит другое интересное явление, получившее название поляризации диэлектриков. 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.