§ 262. Пиро- и пьезоэлектрики
Целый ряд интересных свойств может появиться у кристаллов, не содержащих центр инверсии в числе элементов симметрии. Такие кристаллы могут обладать электрическим моментом (вектором поляризации) при отсутствии внешнего поля.
Остановимся, прежде всего, на кристаллах, поляризующихся при однородной деформации. Обладающие таким свойством кристаллы — это пьезоэлектрики; о них уже шла речь в § 45.
Возникновение поляризации при сжатии, растяжении и т. п. показывает, что однородная деформация приводит к созданию в кристалле особенного (т. е. единственного, не размножающегося элементами симметрии) направления. Понятно, что подобное поведение невозможно при наличии у кристалла центра инверсии. Действительно, однородная деформация не может лишить кристалл центра инверсии. В то же время наличие центра инверсии не совместимо с существованием особенного направления, каким является направление вектора поляризации. Пьезоэлектрическими свойствами может обладать любой кристалл, у которого нет центра симметрии. Тем не менее у многих кристаллов этого вида мы не находим пьезоэлектрических свойств, возможно, за счет недостаточной чувствительности аппаратуры. Впрочем, можно представить себе нецентросимметричную структуру, в которой любая однородная деформация не смещает друг по отношению к другу центры тяжести положительного и отрицательного зарядов. Подробное рассмотрение показывает, что в одном из нецентросимметричных классов симметрии пьезоэлектрический эффект невозможен.
Рис. 287.
Наиболее известным пьезоэлектриком является кварц. На рис. 287 изображен кристалл кварца и показано, каким способом из этого кристалла вырезаются пьезоэлектрические пластинки.
О характере перемещений атомов позволяет судить рис. 288. Структуру кварца можно представить себе как плотную упаковку кислородных ионов, в пустотах которой размещены атомы кремния (на рисунке атомы кремния изображены в виде черных шариков, атомы кислорода — в виде светлых шариков). Ионы кислорода несут на себе отрицательный заряд, ионы кремния — положительный. Атом кремния находится между четырьмя атомами кислорода. Электризация кварца происходит при давлении в направлении полярных осей. Давление вдоль осей, лежащих в плоскости чертежа, приводит к смещению положительных и отрицательных зарядов друг по отношению к другу. Давление вдоль оси третьего порядка (неполярное направление, перпендикулярно к плоскости чертежа) неэффективно.
Рис. 288.
Смещения атомов нельзя показать на рисунке. Эти смещения очень малы. Действительно, пьезоэлектрическая постоянная кварца, т. е. величина вектора поляризации при единичном давлении, равна 
Объем элементарной ячейки кварца равен 
на ячейку приходится три молекулы 
следовательно, число молекул в единице объема равно 
а значит, дипольный момент при единичном давлении, приходящийся на одну молекулу, равен 
Заряды, создающие молекулу, равны 
зарядам электрона. Следовательно, смещение центров тяжести положительного и отрицательного зарядов равно 
см, что дает 0,1 А при давлении в 1000 атм.
Среди пьезоэлектриков следует выделить группу кристаллов, называемых пироэлектриками. Это — такие кристаллы, которые обладают естественной поляризацией при обычных условиях температуры и давления. Обычно этот эффект замаскирован свободными поверхностными электрическими зарядами, скапливающимися на границах этого кристалла, и обнаруживается при нагревании кристалла. Отсюда и происходит название («пиро» — огонь).
Представителей пироэлектриков мы найдем среди еще более ограниченных в отношении симметрии кристаллов. Пироэлектриком может быть лишь кристалл, содержащий особенную ось. Таким образом, условия отсутствия центра симметрии здесь уже недостаточно. Вполне понятен смысл этого условия. Наличие естественной поляризации указывает на то, что в пироэлектрике имеется такое особенное направление, в то время как у пьезоэлектрика оно лишь появляется под действием механической деформации. К наиболее известным пироэлектрикам относится турмалин.
Внутреннее электрическое поле пироэлектрика очень сильно. Поэтому наложение внешнего поля ничего не изменит в поляризации такого кристалла: ее нельзя ни увеличить, ни уменьшить, ни обернуть. Такой кристалл поляризован до насыщения — дипольные моменты всех частиц параллельны. В теории ферромагнетизма
(см. ниже § 266, с которым целесообразно познакомиться при чтении этой страницы) область, в которой магнитные моменты атомов параллельны, носит название домена. Этот же термин используется для области, в которой параллельны электрические дипольные моменты всех частиц. Кристаллы пироэлектриков большей частью представляют собой один домен.
