Картинка Freepik

В нашей жизни достаточно широко используются элементы на базе пьезоэлектрического эффекта. Без них невозможно представить себе современные мобильные телефоны (микрофоны и динамики), разнообразные тензодатчики (датчики давления) и даже генераторы электричества (например, в зажигалках). Мы же, в свою очередь, зададимся таким странным вопросом: а реально ли создать подобный пьезоэлемент самостоятельно?

▍ Сегнетоэлектрический эффект

Эффект, когда кристаллические системы вырабатывают электричество из-за возникновения спонтанной поляризации при наличии внешнего деформирующего воздействия, называется сегнетоэлектричеством.

В корне этого названия лежит открытие французского аптекаря Сегнета, которое он совершил ещё в 1672 году, получив особую соль, которая помогала ему лечить пациентов от заболеваний желудка (использовал в качестве слабительного).

В дальнейшем открытие братьев Кюри, сделанное в 1880 году, показало, что деформация некоторых кристаллов приводит к возникновению электрических зарядов на их гранях. Подобное явление стали называть термином «пьезоэлектричество», положив в его основу греческое слово «давление». Также в дальнейшем было выявлено, что получаемое с помощью кристаллов сегнетовой соли выходное напряжение в тысячи раз превосходит выходные напряжения у других пьезоэлектриков. Благодаря высоким характеристикам соли на базе неё хорошо получаются высокочувствительные звукосниматели и микрофоны.

В наше же время эта соль применяется, в частности, для пекарного дела (это всё помимо известного нам пьезоэлектрического эффекта) и известна под названием двойной соли винной кислоты или тартрата натрия-калия .

Процесс приготовления подобной соли самостоятельно является достаточно простым: для этих целей к раствору винной кислоты добавляют раствор поташа , в результате чего образуется виннокислый калий , при добавлении к которому соды в качестве осадка выпадает искомая соль.

В лабораторных же условиях эту соль получают с помощью осаждения раствора тартрата калия, добавляя к нему необходимое для реакции количество пищевой соды, в результате чего происходит осаждение этой соли в мелкокристаллическом виде.

Процесс осаждения происходит в термостатах, где в течение продолжительного периода времени поддерживается неизменная повышенная температура. Повышенная температура используется для создания перенасыщенного раствора, так как с повышением температуры соли увеличивают свою растворимость и при прочих равных условиях повышение температуры позволяет растворить больше соли.

▍ Устройство для роста кристаллов

Хороший оригинальный аппарат для выращивания качественных монокристаллов предложил в своё время А. Белюстин, схема была приведена в шестом номере ЮТ за 1976 год:


Процесс роста кристалла с использованием этого устройства эксплуатирует принцип перенасыщенного раствора, который в то же время не должен быть излишне насыщенным (конкретное соотношение не приводится, — прим. автора), так как следствием этого станет быстрый рост кристалла с включением в его структуру каверн, содержащих раствор. Также раствор должен быть хорошо перемешан, так как перенасыщенность должна быть равномерной по всему его объёму.

Установка достаточно остроумна и работает следующим образом. Она выполнена в виде конусообразного сосуда, в котором размещается небольшая пластиковая тарелочка, где растут первоначальные кристаллики для затравки. После того как кристаллики достаточно подросли, из них выбирают наиболее подходящий по форме и закрепляют его на конце пластиковой или стеклянной палочки, используя для этого парафин или воск (проще говоря, просто приклеивают этот кристаллик к кончику палочки). Причём автор отмечает крайнюю важность этой процедуры, — как в части выбора правильного кристалла, так и в части правильного, строго вертикального размещения кристалла на конце палочки. Для этого он даже рекомендует сделать первоначальный перенасыщенный раствор и медленно его охладить, что приведёт к осаждению мелких кристаллов. После чего извлечь их из раствора, высушить и выбрать из них наиболее подходящий, который и будет в дальнейшем закреплён на кончике палочки.

После этого можно приступить и к выращиванию основного кристалла. В ходе этого процесса палочка с закреплённым кристаллом на её конце размещается в средней части сосуда с конусовидным дном, в котором поддерживается постоянная температура (конкретная температура в источнике не оговаривается, к сожалению, так что тут, видимо, дело эксперимента или же нужно более глубоко «копать» теорию, если кто-то захочет поэкспериментировать).

Причём автором был предложен интересный способ поддержания пониженной температуры в срединной части сосуда, именно там, где и подвешен растущий кристалл: сосуд снаружи просто-напросто обматывается марлевым бинтом, конец которого опущен в ёмкость с водой. Бинт постоянно смачивается водой и вода, испаряясь, уносит излишки температуры, что приводит к понижению температуры в срединной части сосуда относительно его остальных частей.

Это усиливает конвекцию, начинается ротация перенасыщенного раствора, который, переносясь в зону с более низкой температурой, вызывает выпадение осадка на поверхности кристалла. Таким образом, мы имеем как постоянное омывание кристалла свежим раствором, так и устойчивую зону осаждения.

Однако тут, наверное, нужно сделать ещё скидку на то, в какие годы это было написано (1976). В наше время наверняка этот процесс может быть каким-либо образом усовершенствован, например, с использованием микроконтроллеров, алгоритмов PID-регуляции, а также применения элементов Пельтье, к которым подаётся напряжение, чтобы подогревать весь раствор одновременно с охлаждением зоны вокруг кристалла (наверняка подобное техническое усовершенствование приведёт к существенному ускорению роста кристалла, а также улучшению возможностей по контролю его выходных параметров).

Конусовидная форма днища сосуда служит для аккумуляции в нём образующихся «мусорных» кристаллов, чтобы они не плавали в растворе и не портили создающийся основной кристалл. По прикидкам (если базироваться на этой старой технологии, без современных усовершенствований), хороший монокристалл, размер которого составит порядка 1-1,5 см, создающийся в подобном устройстве, потребует для своего роста около нескольких суток.

Однако, даже несмотря на отсутствие подобных сложных аппаратов, многие растят кристаллы просто врассыпную, что ещё раз доказывает лёгкость воспроизведения процесса:

Получившийся в итоге голубоватый или прозрачный кристалл будет иметь ромбовидную вытянутую форму с плоским верхом и низом, сегнетоэлектрический эффект граней которого проявляется неодинаково на всех гранях. Кристалл, как правило, будет содержать 12 граней, 2 из которых, показанные на рисунке ниже (расположенные на более «плоских» сторонах кристалла), будут обладать наиболее ярким сегнетоэлектрическим эффектом.

Если к одной из этих граней присоединить один электрический провод, а к противоположной — другой электрический провод и слегка стукнуть по кристаллу сверху, это должно привести к появлению электрического импульса.


Однако у сегнетовой соли есть и свой минус: она очень гигроскопична и хорошо растворяется в воде (хотя и выпадает потом в осадок). Следствием этого становится необходимость защищать её от атмосферных воздействий, так как без подобной защиты кристалл со временем расплывается (например, можно поместить его внутрь герметично запаянного плоского жестяного или пластикового контейнера и нажимать на кристалл проминающимися стенками).

Тем не менее, это же её свойство используется для распиловки кристалла после его выращивания. Распиловка может производиться (в домашних условиях) даже с использованием обычной смоченной водой нитки, которая в процессе постоянно проходит через ёмкость с водой. Для этого в своё время была предложена следующая схема распиловки:


Распиливание должно производиться параллельно найденной ранее грани кристалла с наиболее ярким сегнетоэлектрическим эффектом:


Полученная в результате распиловки пластина будет обладать всеми свойствами той самой, наиболее эффективной грани.

▍ Пьезокерамика

В настоящее время сегнетова соль постепенно уступает своё применение пьезокерамическим составам, под которыми поднимаются искусственные составы (как химические соединения, так и просто твёрдый раствор в виде порошка), представляющие собой в основном материалы из окислов металлов.

Благодаря своей дешевизне и возможности формования из них любых изделий (в том числе такой формы, которая недоступна для монокристаллов), а также влагостойкости и износоустойчивости они уверенно вытесняют сегнетову соль из разных областей.

Ещё одна интересная причина этого заключается в том, что у сегнетовой соли точка Кюри (если простыми словами, то это температура, при которой она теряет свои электрогенерирующие свойства) находится приблизительно на отметке в 54°C. В то же время у конкурентов, например, у того же самого пьезокварца (хоть он и не пьезокерамика, но просто к слову) она находится на отметке в 576°C. Существенная разница… Тем не менее, и он не идеален — обладает низкой эффективностью в режиме излучения, что требует подключения к нему высоких напряжений, а также низкой чувствительностью в режиме приёма давления из-за его низкой диэлектрической проницаемости. В настоящее время известны более 80 пьезоэлектриков с разными свойствами. Например, ниобат лития благодаря своей высокой точке Кюри (1210°C) используют в реакторах.

▍ Перспективы

Говоря же о пьезоэлектриках в целом, можно сказать, что делаются попытки расширить сферу их применения также и на электрогенерирующие устройства. Например, известно устройство, которое представляет собой диски из пьезоэлектрика, расположенные в виде стопки с некоторым интервалом друг над другом. Вокруг них вращается специальный вал с насаженными на него роликами и промежуточной мягкой прокладкой. Быстровращающийся вал с большой частотой немного гнёт диски из пьезоэлектрика, что приводит к выработке электроэнергии, а использование массива дисков даёт увеличение суммарной выходной мощности установки.

Кроме того, автору этой статьи известен и бензиновый двигатель, в котором в качестве устройства для генерации высоковольтной искры применяется обычный пьезоэлемент из зажигалок. К сожалению, подобный элемент не отличается долговечностью и, по словам создателей устройства, его наработка на отказ составляет всего лишь около 1 млн срабатываний. Тем не менее, использование подобного подхода позволяет существенно упростить и удешевить высоковольтную систему двигателя и может быть полезно в ряде случаев.

Ну и, конечно, нельзя не упомянуть широкое использование пьезоэлектриков в системах распыления — делаются попытки изготавливать на их базе автомобильные форсунки, действующие по тому же принципу, что и форсунки в струйных принтерах: с приложением электрического тока пьезоэлектрик меняет свою форму и выталкивает капельку жидкости из специальной камеры.

Завершая этот рассказ, хочется сказать, что создание собственного пьезоэлектрического кристалла может быть интересным как в целях досуга, так и для проведения ряда своих экспериментов и даже практического применения. Тем более, что никто не ограничивает в размере будущего кристалла (что является существенным плюсом, в отличие от покупных готовых изделий) и, теоретически, позволяет создать самостоятельно кристалл достаточно неплохой выходной мощности.

Простота устройства и интересные перспективы, которые даёт использование пьезоэлектриков — привлекают к ним заслуженное внимание.