Пьезоэлектричество

В 1946 году А. А. Штернбергом и П.Г.Поздняковым начаты работы по выращиванию кристаллов кварца и в 1951 году были получены первые кристаллы весом около 40 грамм (кристаллы наращивались на затравку в виде пластины АТ-среза). Наросший слой толщиной около 5 мм позволил изготовить образцы резонаторов и показать, что их параметры не отличались от параметров резонаторов из природных кристаллов. Они также изготовили и исследовали первые образцы пьезокерамики из титаната бария.

В 1949 году завод №633 полностью лишился помещений в Пыжевском переулке. Трудные времена переживал завод из-за недостатка помещений, его пытались закрыть, подчинить другому предприятию.
Однако достигнутые результаты по выращиванию новых кристаллов были слишком важны и требовали существенного расширения работ. Поэтому предложение руководства завода № 633 о реорганизации его в научное предприятие и предоставление помещений было принято и Распоряжением СМ СССР от 19 марта 1949г, и Приказом №С-104 от 22 марта 1949 г. министра промышленности средств связи СССР Завод № 633 был организован в Центральную научно-исследовательскую лабораторию пьезотехники (ЦНИЛП) с опытным заводом.

Согласно Положению о ЦНИИЛПе, основными её задачами являлись всестороннее изучение явлений пьезоэлектричества и внедрение в народное хозяйство практических достижений в области создания приборов и аппаратов, основанных на пьезоэлектрическом принципе, а также передовых методов производства пьезоэлектрических материалов, пъезоэлементов и пьезоприборов.

В ЦНИЛПе в 1949-1954 гг. под руководством П. Г. Позднякова и А. А. Штенберга проводились исследования по синтезу кварца. Были получены кристаллы кварца весом до 150 грамм емкостью до 1 литра при давлении 1000 атм. и температуре до 370°.
В 1954г. Постановлением СМ СССР произошло слияние ЦНИЛП с кварцевой лабораторией НИИ-20 и цехом обогащения I0 Главного Управления Министерства радиотехнической промышленности СССР, на базе чего был создан ВНИИП (Всесоюзный научно-исследовательский институт пьезокварца) с лабораторией №1.
В течение 1954-1955 годов под руководством А. А. Штернберга были получены качественные кристаллы кварца весом до1,5кг в сосудах емкостью 12 литров при давлении до 400атм. и температуре до 340 С. Этими работами была доказана возможность выращивания кварца в сосудах при пониженных давлениях. Кроме того, в лаборатории №1 был разработан метод протравливания затравочных пластин в период ввода автоклава в режим, что оказало решающее влияние на получение качественных кристаллов кварца.

На этот метод сотрудниками лаборатории было получено авторское свидетельство на изобретение (авторы: Штенрнберг А. А., Симонов А.В., Гордиенко Л.А., Сабуренков Е.М., Цинобер Л.И.).
На основании полученных результатов в 1954г. вышло Постановление СМ СССР о строительстве опытного завода по производству кварца в г.Александрове Владимирской области. В конце 1957 года завод выдал первые крупные партии кристаллов пьезокварца.
В 1958г. директором завода в г.Александрове Кашкуровым К.Ф. и главным инженером Симоновым А.В. написана первая промышленная технология получения искусственных кристаллов кварца, которая была представлена в комитет по Ленинским премиям. За эту работу в 1965 году была получена Ленинская премия коллективом опытного завода и ВНИИПа в составе: Штернберга А.А., Хаджи В,Е., Симонова А.В., Кашкурова К.Ф., Гордиенко Л.А., Цинобера Л.И., Голикова И.И. и Снопко Я.П, (в их числе три сотрудника ЦНИЛП).

В начале 50-х годов в ЦНИЛПе коллективом сотрудников во главе с Е.Г.Бронниковой разработаны и получены резонаторы и резонаторные фильтры из фосфата аммония. Большая работа была проведена коллективом опытного завода по освоению в производстве резонаторов и фильтров. Её возглавили Г.Н.Стойков, Е.Г,Бронникова, Л.З.Русаков.
Развитие средств связи, радионавигации, радиолокации, космической техники и многих специальных отраслей техники потребовали не только резкого количественного роста выпуска изделий пьезотехники, но и многократного улучшения их стабильности, точности и надежности и освоения изделий нового поколения в серийное производство.
Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 3 декабря 1958 года и на основании Приказа №359сс Госкомитета СМ СССР по радиоэлектронике от 12 декабря 1958г. о мерах по развитию специализированного производства и научно-исследовательской базы по радиодеталям на базе ЦНИЛП и лабораторий московских научно-исследовательских организаций был создан Государственный Союзный научно-исследовательский институт кварцевой стабилизации и пьезотехники НИИ-484 с опытным заводом.

Согласно Положению об институте, утвержденному Государственным комитетом СМ СССР по радиоэлектронике 22 декабря 1958 года основными задачами института
являлись определение на основе требований народного хозяйства и обороны страны направлений в области создания новых образцов пьезотехники и внедрение их в серийное производство.
Институт состоял из трех секторов: сектор кварцевой стабилизации; сектор пьезокерамики; сектор контрольно-измерительной аппаратуры и нестандартного технологического оборудования и девяти отделов и цехов опытного завода.

В 60-е годы институтом велись исследования по нескольким научно-техническим направлениям. Разработан и внедрен в производство большой комплекс кварцевых резонаторов. Авторы: Э.П. Золотов, В.Н. Чернышов, Г.А. Ливенский, М.И. Ярославский, И.С. Трошин.

Кварцевые резонаторы:
Разработаны и внедрены в производство прецизионные кварцевые резонаторы для систем «Восток» и «Венера».
Разработаны специальные приборы для измерения параметров кварцевых резонаторов. Авторы: Пятошин, Александров.
Создана лаборатория кварцевых резонаторов датчиков физических величин.
Выполнен ряд фундаментальных исследований по развитию теории кварцевых резонаторов. Авторы: И.С.Жолудев, И.И. Ярославский, А.Е. Караульник, В.Б.Грузиненко, Ю.И.Друккер.

Кварцевые генераторы:
на базе лаборатории технологических герераторов В.В. Башмакова (1958-1961гг.) создан отдел разработки технологических приборов под руководством Кожемякина К.Г. и Шувалова В.В. В 1961-1969 годах разработан ряд технологических генераторов, о том числе ГДК-3. В 1964-1969гг. под руководством В.В. Шувалова были разработаны теория и методы расчета кварцевых генераторов.
Эти работы создали мощный теоретический и практический задел для разработки и производства кварцевых генераторов.

Пьезоэлектрические фильтры:
Созданы кварцевые и калийвиннокислые резонаторные фильтры. Началась «ЭРА» фильтров навесного монтажа. Авторы: И.Н. Райзман, М.В. Качкачева, Н.М. Ларионов, Е.Г. Бронникова, Метелёв.
0ткрыт принцип "захвата энергии", положивший начало "ЭРЕ" монолитных фильтров. Разработаны первые промышленные монолитные фильтры. Авторы: Е.Г. Бронникова, И.М.Ларионов, В.И.Семин, Горелик, Лебедев, З.И.Кулибина.

Пьезокерамика:
В пьезокерамическом производстве институтом был освоен отечественный способ синтеза материалов ЦТС (цирконата титаната свинца). Этот способ был разработан и освоен лабораторией пьезокерамики № 42 в 1960 году. Найденный способ был признан изобретением и защищен авторским свидетельством № 135394 на изобретение СССР — «Способ изготовления пьезокерамики системы титанат-цирконат свинца и её производных» с приоритетом 21 марта 1960 года. Авторский коллектив: И.Г,Глозман, Л.З.Русаков, Н.В. Фельдман.
На основе этого изобретения открылась ЭРА широкого развития пьезокерамической науки и техники в СССР.
Началось освоение и изготовление пьезокерамических изделий из этих материалов. Был синтезирован ряд составов УТС с высокими пьезокерамическими свойствами. Для быстрейшего широкого внедрения в СССР пьезокерамики УТС по решению Госкомитета СМ СССР по электронной технике, работы лаборатории №42 по созданию нового способа были опубликованы в сборнике «Вопросы радиоэлектроники» за 1962 год. В 1965г. на базе цеха при институте Приказом Госкомитета по электронной технике создан завод пьезокерамических изделий «Пьезоэлеменг» с научно-исследовательским отделением.

Стандартизация и унификация изделий
Институт назначен базовой организацией по стандартизации. Организован отдел стандартизации. Стандартизация стала рассматриваться как средство управления качеством. Под руководством Э.П. Золотова были проведены научно-исследовательские работы, которые были использованы для разработки ряда параметров, размеров, проведена унификация кварцедержателей, срезов кристаллов.

В связи с расширением и усложнением производства пьезотехники Указом Президиума Верховного Совета от 17 марта 1961 года на базе управлений, организаций и предприятий Государственного комитета СМ СССР по радиоэлектронике (ГКРЭ) был образован Государственный комитет СМ СССР по электронной технике (ГКЭТ).

Совместным приказом председателей ГКРЭ и ГКЭТ за №183 от 4 мая 1961 г. указывалось о передаче из ведения ГКРЭ в ведение ГКЭТ ряд научно-исследовательских организаций и опытных заводов, в том числе научно-исследовательский институт кварцевой стабилизации и пьезотехники НИИ-484.
В эти годы расширяется пьезоэлектрическое производство и его научная база. В 1961 году начато строительство завода в г. Южно-Уральске для промышленного выращивания пьезокварца.

Приказом ГК СМ СССР по электронной технике №50 от 26 марта 1962 года был организован филиал № 1 НИИ-484 в г.Душанбе с опытным заводом. Согласно Положению о филиале №1, задачи и функции его были следующие: разработка прогрессивной технологии массового производства кварцевых приборов и внедрение на серийных заводах; разработка образцов средств производства и контроля для механизации и автоматизации процессов изготовления и контроля кварцевых приборов и внедрение этих образцов в серийное производство.

В 1962 году в г.Волжском организован первый в СССР специализированный завод по производству кварцевых резонаторов.

В 1966 году начато в г.Волгограде строительство завода по производству
пьезокерамики и изделий из них.
Эти предприятия и организации положили начало созданию подотрасли электронной промышленности — пьезотехники.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 2 марта 1965 года Государственный комитет СМ СССР по электронной технике был преобразован в Министерство электронной промышленности СССР. Создание общесоюзного министерства электронной промышленности положительно сказалось на ускоренном развитии всех её направлений, в том числе на опережающее развитие пьезоэлектроники.

В августе 1966 года НИИ-484 был реорганизован в научно-исследовательский институт по приборам пьезотехники (НИИПТ) с отделением в г. Зеленограде, филиалом в г. Душанбе и серийными заводами в разных городах СССР.
В 60-е годы в СССР началось формирование отечественной технологии кварцевого производства и базы по разработке и производству оборудования и специальной аппаратуры для производства пьезоаппаратуры.
Логическим результатом ускоренного развития пьезоэлектроники явилось создание НПО и поэтому 30 января 1969 года приказом №67 министра электронной промышленности СССР в целях повышения эффективности работы научно-исследовательских и конструкторских организаций в области создания кварцевых и пьезокерамических резонаторов и фильтров для радиотехнической аппаратуры, пьезокерамических элементов для гидроакустических систем и других устройств, средств механизации их изготовления, а также в целях быстрейшего освоения в серийном производстве новых разработок было организовано научно-производственное объединение "Фонон".
Согласно Уставу НПО «Фонон» специализировалось по разработке и производству:
— кварцевых и пьезокерамических резонаторов и фильтров для радиотехнической аппаратуры;
— пьезокерамических элементов для гидроакустических систем и других устройств.

В состав НПО «Фонон» вошли:
1. Научно-исследовательский институт пьезотехники (НИИПТ) г. Москва с отделением в г.Зеленограде — головной.
2. Филиал НИИПТ г. Душанбе
3. Завод «метеорит» при НИИПТ г.Москва
4. Завод «Пьезоэлемент» при НИИПТ г.Зеленоград
5. Завод при филиале НИИПТ г.Душанбе
6. Завод «Алмос» при филиале НИИПТ г. Ленинабад
7. Волгоградский завод электронных приборов "Метеор" г. Волжский
8. Южно-Уральский завод «Кристалл»
9. Волгоградский завод пьезокерамических изделий г.Волгоград.

В течение 1970 года состав НПО «Фонон» увеличился на два действующих предприятия за счет ввода со второго полугодия 1970 года ранее строящегося завода «Аврора» в городе Волгограде и завода «Метеор» в г. Волкском, включенного в состав НПО «Фонон» приказом МЭП СССР № 709 от 22 декабря 1969г.
За 1970 год в объединении освоено и внедрено 42 работы по технологии и механизации с годовым экономическим эффектом 1.107 тыс.руб. На заводе "Кристалл" был разработан и внедрен технологический процесс выращивания искусственного кварца без присыпки. На заводе «Метеорит" внедрен технологический процесс распиловки пьезокварца с исключением последующей шлифовки низкочастотных элементов.

Впервые в СССР на заводе "Метеор" разработан, изготовлен конвейер и внедрено поточное производство кварцевых резонаторов.
В течение 1971 года в состав НПО «Фонон» включены четыре самостоятельных предприятия.

В соответствии с Распоряжением СМ СССР от 18 января 1971 года №73-РС и Приказом ИЭП СССР от 24 мая 1971 года №164 организован в г.Зеленограде на базе отделения по пьезокерамике НИИПТ филиал института пьезотехники с заводом "Пьезоэлемент". На базе кварцевого производства, переданного в соответствии с Приказами МЭП СССР №4 от 5 января 1971 года и №207 от 22 июня 1971 года создан специализированный завод «Морион» и СКБ "Морион» в г. Ленинграде по разработке и выпуску кварцевых резонаторов и фильтров.
Приказом ИЭП СССР И 207 от 22 июня1971 года в состав завода "Морион" вошел цех №12 по выпуску микроэлементов.

В 70-е годы в СССР сформировалось новое направление пьезотехники — пьезоэлектроника, появление которого обусловлено требованиями микроминиатюризации компонентов, в том числе и резонаторов, а также необходимостью создания законченных функциональных модулей, совместимых с компонентами микроэлектронных устройств.
Методы микроэлектроники проникают в технологию кварцевого производства.
В этом десятилетии были разработаны и внедрены в производство в НПО «Фонон» микрорезонаторы для электронных часов, монолитные фильтры, микрогенераторы и ПАВ-фильтры.

В 70-е годы наступает период, когда качество лучших сортов искусственного кварца не стало обеспечивать повышенных требований к характеристикам прецизионных резонаторов. В результате проведенных работ лабораторией, возглавляемой И.В. Кабановичем, внедрена в производство технология выращивания кварца с повышенной стойкостью к радиационным воздействиям и пригодного для производства резонаторов с высокими требованиями.
В эти годы разработаны и освоены первые миниатюрные низкочастотные резонаторы для НЭЧ. Авторы: М.И. Ярославский, В.И. Кузин, А.Н. Яковлева, А.П. Федорков, В.П. Васильев и др. Продолжается разработка и исследование монолитных фильтров (МФ), их миниатюризация, создаются параметрические ряды, появляются образцы фильтров на новом пьезоматериале — танталате лития. Основные разработчики этих исследований: Е.Г.Бронникова, И.К.Ларионов, Горелик, Русаков, В.Н.Самойлов, В.Шкуратник, Целищев, Панюшкин и др.
Постановлением СМ СССР в НПО «Фонон» разработана программа совместных с Минздравом СССР работ шифр «Сердце».

Разработка пьезодатчиков для диагностических устройств сердечно-сосудистой системы, исследование и создание пьезопреобразователей микроперемещений для насоса имплантируемого варианта искусственного сердца.
Под руководством Конопкина В.Ф. в течение 1972-1987 годов разработана серия датчиков, создан унифицированный ряд ПКЭ для УЗ терапевтических излучателей, измеритель артериального давления и другая медицинская техника.

В 1971-1973 годах в филиале НИИПТ в г.Зеленограде были разработаны и внедрены в производство первые изделия акустоэлектроники, а именно:
— пьезокерамические многоотводные линии задержки на ПАВ (за эту разработку сотрудники филиала (Брицын К.И., Карпеев Д.В.) награждены правительственными орденами и медалями);
— монолитный кварцевый фильтр на 18,5 МГц;
— фильтры полосовые на ПАВ до 300 МГц;
— частотно-избирательные микроблоки в диапазоне частот 1-100 МГц.

За период с 1971 по 1975 годы производство пьезокерамики было поставлено на промышленную основу, запущено технологическое оборудование, направленное на повышение технологического уровня пьезокерамического производства и прочностных характеристик пьезокерамики: введен в действие пьезокварцевый завод в г. Волгограде для серийного выпуска пьезокерамических материалов и элементов из них,

В 1975 голу впервые в СССР в НИИПТ разработана технология горючего прессования пьезокерамики (УТС-33) для изделий на ПАВ. Эта разработка была удостоена наград ВДНХ СССР: Золотая (Жаботинский В.А.), серебряная и четыре бронзовых медали.

В 1970 году сотрудники НИИПТ Самсонов Ю.А.,Тихомиров Л.Г., Самсонов Н.И. были награждены премией Ленинского комсомола за разработку и исследование активных пьезоэлектрических фильтров.

В 1971 году сотруднику института Тютюнжиеву Х.А. за выдающиеся заслуги в выполнении восьмого пятилетнего плана, создании новой техники и развитии электронной промышленности было присвоено звание Героя социалистического труда.
Приказом МЭП СССР от 24 января 1977 года №36-дсп и Приказом директора НИИПТ от 30 ноября 1977 г. № 293-дсп научно-исследовательский институт пьезотехники (НИИПТ) был переименован в НИИ "Фонон".
Приказом МЭП СССР № 33с от 31 января 1979 года был создан завод «Импульс» в г. Черкассы.

Приказом МЭП СССР № 165-дсп от 20 марта 1986 г. НПО "Фонон" были предоставлены права Главка МЭП СССР.
К концу 80-х годов НПО "Фонон" представляло собой замкнутую по технологическому принципу организацию подотрасли пьезоэлектроники в Министерстве электронной промышленности и состояло из шести научных и одиннадцати промышленных предприятий.

НИИ "Фонон" г. Москва
Московский филиал НИИ "Фонон" г.Зеленоград (НИИ "Элпа")
Душанбинский филиал НИИ "Фонон" г.Душанбе (НИИ "Элто")
Завод "Метеорит" при НИИ "Фонон" г.Москва
Завод при НИИ "Фонон" г.Москва
Завод "Элпа" при Московском филиале НИИ "Фонон" г.Ленинабад
Завод "ИОН" г.Крюково Московской области
Завод "Морион" г. Ленинград
СКБ при заводе "Морион" г. Ленинград
Завод "Аврора" г.Волгоград
СКТБ при заводе "Аврора" г.Волгоград
Завод "Метеор" г.Волжский
Завод "Кристалл" г.Южно-Уральск
Коммунарский электромеханический завод г.Коммунарск
Завод "Импульс" г.Черкассы
Завод "Базальт" г.Бугуруслан
ОКБМ "Малахит" при заводе "Базальт" г.Бугуруслан

Все предприятия, входившие в состав НПО "Фонон", кроме завода при НИИ "Фонон", имели самостоятельное управление, пользовались правами юридических лиц и возглавлялись директорами.

В технологический процесс включено производство материалов (синтетический кварц, особо чистые синтезированные материалы пьезокерамики и другие сильные пьезоэлектрики), изделия электронной техники восьми направлений, собственное производство специального технологического оборудования, измерительной и испытательной техники. Длительность производственного цикла с учетом всех направлений составляло от 9 месяцев до 1,2 года. НПО "Фонон" характеризовалось большой территориальной разобщенностью: его предприятия были расположены в трех республиках и девяти областях СССР.

Однако в 1990 году руководство НИИ "Фонон" сочло невозможным дальнейшее пребывание института в составе объединения и было принято решение о выходе иститута "Фонон" из состава НПО "Фонон"
11 декабря 1990 года Министр электронной промышленности СССР подписал Приказ № 700 о реогранизации НПО "Фонон".

12 марта 1991 года был утвержден новый Устав НИИ "Фонон", согласно которому институт становился самостоятельным хозяйствующим субъектом с правами юридического лица. Основными предметами и целями деятельности института являлись: организация и выполнение НИОКР в области пьезоэлектроники, а также организацию экспериментального и опытного производства ИЭТ по профилю института.

Указом Президента РСФСР от 28 ноября 1991 года № 242 "О реорганизации центральных органов Государственного управления РСФСР", МЭП СССР и его подведомственные предприятия, организации и учреждения были переданы Министерству промышленности РСФСР, а МЭП СССР было упразднено Постановлением Государственного Совета СССР от 14 ноября 1991 года № ГС-13 с 1 декабря 1991 года.

Указом Президента РФ от 1 июля 1992 года № 721 и по решению конференции трудового коллектива от 23 сентября 1992 года и Государственного комитета РФ по управлению имуществом от 22 декабря 1992 года НИИ "Фонон" был преобразован в Акционерное общество открытого типа "Фонон" (АООТ "Фонон") и в связи с этим был разработан и принят новый Устав АООТ "Фонон".

Основными видами деятельности АООТ "Фонон" согласно новому Уставу являются:
а) проведение НИОКР, в том числе по изделиям спецтехники;
б) внедрение в производство и производство конкурентноспоспособных изделий пьезотехники;
в) разработка КИА и СТО для производства изделий пьезотехники и другие.
В соответствии с решением общего собрания акционеров АООТ "Фонон" от 17 марта 1997 года, свидетельством о регистрации от 21 апреля 1997 года и Приказом Генерального директора от 2 июня 1997 года № 37 Акционерное общество открытого типа "Фонон" было переименовано в Открытое Акционерное Общество "Фонон" (ОАО "Фонон")

Пьезоэлектричество

Много своеобразных и полезных свойств имеют кристаллы. Пожалуй, к самым замечательным из них принадлежат пьезоэлектрические свойства.

Пьезоэлектрические свойства присущи очень многим кристаллам, однако не всем, а лишь обладающим определённой симметрией. К таким кристаллам относятся, в частности, турмалин, сахар, кварц.

На рисунке 35 изображён кристалл кварца. Главная ось этого кристалла – ось симметрии 3-го порядка. В перпендикулярной плоскости лежат три оси второго порядка.

Рис. 35. Один из способов вырезания пьезокварцевой пластинки из кристалла кварца.

Указанным на рисунке способом из кристалла вырезают пластинку толщиной около 2 см. Мы видим, что она перпендикулярна главной оси, а оси 2-го порядка лежат в её плоскости.

Затем из этой толстой пластинки перпендикулярно одной из осей 2-го порядка вырезают тонкую пластинку, толщиной около 0,5 мм. С полученной таким образом тонкой пьезокварцевой пластинкой (на рисунке справа она сдвинута вниз) можно произвести интересные опыты.

Сдавим пластинку вдоль направления А, перпендикулярного осям симметрии, а к боковым плоскостям пластинки присоединим электрометр – прибор, обнаруживающий электрический заряд (для того чтобы был электрический контакт, эти плоскости надо посеребрить). Оказывается, что под действием сжатия на гранях пластинки появляются равные разноимённые заряды. Если вместо сжатия применяется растяжение, то заряды меняют знаки: там, где при сжатии возникал положительный заряд, при растяжении возникнет отрицательный, и наоборот. Вот это явление – возникновение электрических зарядов под действием давления или растяжения и получило название пьезоэлектричества.

Пьезокварцевые устройства чрезвычайно чутки: электрические приборы позволяют нам измерять заряды, появляющиеся на кварце при самой ничтожной силе, которую другими способами мы не можем измерить. Пьезокварц способен также отмечать очень быстрые изменения давления, что недоступно другим измерительным приборам. Поэтому описанное нами явление имеет огромное практическое значение, как способ электрической регистрации всякого рода механических действий, в том числе звуков. Достаточно легко дунуть на пьезокварцевую пластинку для того, чтобы откликнулся электрический прибор.

Пьезокварцевые пластинки применяют в медицине – ими выслушивают шумы в сердце человека. Подобным же образом их применяют в технике, проверяя работу машин: нет ли каких-либо «подозрительных» шумов. Но и наоборот, пьезокварцем можно измерять очень большие давления. Пьезокварцевые пластинки приносят большую пользу в артиллерии – с их помощью можно измерить, как меняется давление при движении снаряда в стволе орудия. Использование в качестве измерителя малых и больших, медленно и быстро меняющихся давлений не исчерпывает того, что может нам дать пьезокварц.

Нам нужно теперь остановиться на одном механическом свойстве пьезокварцевой пластинки. Как у всякого твёрдого тела, у пьезокварцевой пластинки есть своя частота колебаний, как говорят, собственная частота.

Оттяните или сожмите пружину, а затем отпустите: груз, подвешенный к этой пружине, будет колебаться с определённой собственной частотой. Отклоните маятник; после того, как вы его отпустите, он будет колебаться также с собственной частотой.

Слегка ударьте чем-либо хрустальную вазу, вы услышите мелодичный звон. Как известно, звук – это колебания воздуха, вызываемые быстрым невидимым дрожанием предметов, излучающих звук. Хрустальная ваза после того, как мы её ударили, начала колебаться с собственной частотой.

Пластинка кварца тоже начнёт колебаться – удлиняться и укорачиваться – с собственной частотой, если её ударить. Можно рассчитать, что пластинка толщиной в 1 см будет совершать около 300 000 колебаний в секунду. Наше ухо способно воспринимать звук лишь с частотой примерно от 16 до 20 000 колебаний в секунду. Следовательно, пьезокварц излучает «неслышимые звуки» или, как говорят, ультразвуки [6].

Однако простым щелчком мы заставим пластинку пьезокварца колебаться лишь на мгновенье. Замечательное свойство пьезокварца превращать механическую энергию в электрическую, и обратно, позволяет довольно легко создать незатухающие колебания кварцевой пластинки. На опытах установлено, что при подключении пьезокварца к источнику электрического напряжения пластинка слегка удлиняется или сжимается в направлении А – в зависимости от расположения полюсов источника.

При включении пьезокварцевой пластинки в цепь переменного тока она то расширяется, то укорачивается, то есть приходит в состояние колебаний с частотой тока. Если ток меняет своё направление 10 000 раз в секунду, то и пластинка будет колебаться с той же частотой. Но эти колебания малы, так как происходят не с собственной частотой пластинки, не «в резонанс».

Как получше раскачать качели? Разумеется, толкать их в такт собственным колебаниям. Поступим так же и с пьезокварцем.

Подберём частоту переменного тока так, чтобы она была равна собственной частоте пластинки, иначе говоря, чтобы электрический ток действовал в резонансе с собственными колебаниями пьезокварца. Пластинка придёт при этом в сильные колебания, энергично излучая ультразвуковые волны.

Источник ультразвуковых волн – пьезокварц – нашёл широкое применение в разных областях техники. Исключительное значение имеют эти волны для подводной сигнализации. Они много удобнее обычных звуковых волн, так как распространяются более направленно. Кроме того, ультразвуковой сигнал нельзя «подслушать» ухом.

Как и всякие волны, ультразвук отражается от препятствий. При помощи ультразвука можно измерять глубину моря и вообще определять отдалённость какого-либо препятствия. Для этого надо лишь знать скорость распространения ультразвука и определить время, через которое вернётся обратно сигнал, посланный в сторону препятствия. Трудно переоценить роль скромного маленького кристалла кварца в решении всех этих задач. Пьезокварц, установленный на корабле, непрерывно излучает ультразвук. Если только на пути корабля имеется невидимое подводное препятствие (скала, айсберг), ультразвуковая волна отразится и, вернувшись обратно, «сообщит» о необходимости перемены курса.

Ультразвуковые волны хотя и отражаются от твёрдых тел, но частично также проникают в них. Поэтому ультразвуками можно просвечивать тела и обнаруживать внутренние невидимые пороки. Такой способ был разработан и с успехом применён советским учёным проф. С.Я. Соколовым. Очень важно также применение пьезокварца в радиотехнике, где он помогает сделать более устойчивой (стабилизировать) работу передатчиков.

Из кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, особо широкое применение имеет именно кварц. Это объясняется механической и химической стойкостью, а также довольно широкой распространённостью кварца. В Физическом институте и Кристаллографическом институте Академии наук под руководством лауреатов Сталинской премии чл.-корр. Академии наук СССР Б.М. Вул и А.В. Шубникова ведутся работы по получению и поискам других кристаллов с замечательными пьезоэлектрическими свойствами. Советскими физиками достигнуты в этой области блестящие успехи, высоко оценённые правительством.