Итак, сегнетоэлектрики

Итак, сегнетоэлектрики

Понятие «сегнетоэлектрики» Курчатов первым ввел в физику. Так он назвал класс диэлектриков, обладающих такими же свойствами, что и сегнетовая соль. Что же это за свойства и чем они вызываются? Не высоковольтной поляризацией, отвечал Курчатов, а самопроизвольной. Обычно поляризация в диэлектрике возникает под воздействием электрического поля. Отрицательно заряженные частицы атомов диэлектрика (электроны), стремясь притянуться к положительному электроду, смещаются в одну сторону, положительно заряженные частицы (ядра) — в другую, образуются диполи, которые, располагаясь параллельными рядами, и создают поле самого диэлектрика.

В сегнетовой соли заряды разделены и ориентированы без воздействия внешнего поля. (Потому такая поляризация и называется самопроизвольной.) Общий же заряд кристаллов при отсутствии поля равен нулю, потому что кристаллы сегнетоэлектриков, словно фанера из ряда слоев, состоят из областей . с противоположными направлениями поляризации. Уже в слабом электрическом поле происходит переориентировка диполей и образуется мощный электрический момент всего кристалла. Подобным же образом ведет себя железо в магнитном поле. Вне поля оно не проявляет магнитных свойств именно потому, что миниатюрные магнитики, из которых состоит монолит железа, ориентированы по-разному и взаимно гасят друг друга; при попадании же в магнитное поле железо становится мощным магнитом.

Особенно ярко и полно аналогия с железом и другими ферромагнетиками проявилась при исследовании не кристаллов, а изоморфных смесей сегнетовой соли, которые Игорь Васильевич выполнял совместно с М. А. Еремеевым и Борисом Васильевичем. В одном из опытов проверялась поляризуемость смеси при разных температурах. Начинали с нормальной комнатной температуры. После подачи напряжения на электроды поляризация в смеси происходила быстро. А вот когда резко снизили температуру, картина изменилась. Приборы показывали, что по явному диэлектрику в течение нескольких часов идет ток!..

Было позднее время. Озадаченные происшедшим, Игорь Васильевич, Борис Васильевич и их товарищи молча расходились по домам. Жили братья уже в разных местах. Игорь Васильевич получил квартиру в Лесном. Борис Васильевич остался с родителями на Кировском проспекте.

Несколько дней длились поиски, раздумья. Борис Васильевич захворал и был дома, когда мокрый от весеннего дождя в квартиру ввалился Игорь Васильевич.

— Нашли?

— Да, — проговорил он, — это действительно ток, но не проводимости, а смещения диполей...

Присутствовавшие при этом родители — худощавый седоусый Василий Алексеевич и по-прежнему прямая и строгая Мария Васильевна, не понимая сути разговора, чувствовали его радостный смысл и оба улыбались.

В тот весенний вечер Игорь Васильевич был особенно весел, шутил, рассказывал родителям, сколько пришлось пережить огорчений прежде, чем сегнетоэлектрики открыли свои тайны.

Братья решили подробнее изучить для сегнетоэлектриков такие значения температуры, которые у ферромагнетиков именуются точкой Кюри. В этой точке магнитные свойства у ферромагнетика пропадают.

...Опять собраны сложные для того времени схемы, опять бессонные ночи, сотни измерений. Опыты подтверждают подмеченную Курчатовым аналогию электрических свойств сегнетоэлектриков с магнитными свойствами ферромагнетиков.

У сегнетовых кристаллов были определены две точки Кюри, верхняя и нижняя, в которых их особые электрические свойства пропадают. Верхней точке соответствовала температура +22,5° С, нижней — -15° С. Почему пропадают их свойства? Курчатов объяснил: в верхней точке это происходит из-за роста интенсивности теплового движения. Оно разрушает упорядоченные ряды диполей.

Труднее было объяснять процессы в нижней точке Кюри. Курчатов высказал предположение, что при низкой температуре ослабевает связь между диполями, и у них теряется стройность рядов.

На очередном заседании физического семинара Игорь Васильевич, докладывая об исследованиях сегнетоэлектриков в точках Кюри, высказал это предположение.

Яков Ильич Френкель не согласился с ним и выставил контргипотезу, по которой пары диполей располагаются так, что их заряды взаимно компенсируются. Участники семинара ждали отпора от Игоря Васильевича, так как привыкли к его манере вести полемику остро и темпераментно. Но Курчатов молчал, слушая выступления.

В заключение он удивительно миролюбиво сказал:

— Объединение того типа, о котором говорил Яков Ильич, приводит, очевидно, к тем же результатам в электрическом отношении, как и наше предположение, и до тех пор, пока не проведено теоретического расчета, в сущности, трудно отдать предпочтение той или иной точке зрения. Я, однако, должен признать, что предположение Якова Ильича, как более общее и имеющее определенные аналогии в других случаях, является более приемлемым, чем мое.

Очевидно, темперамент Курчатова все более подчинялся железной логике ученого. Замечания Я. И. Френкеля он привел в сноске к одной из работ по сегнетоэлектрикам. Эта доброжелательность к критике как бы приглашала: высказывайтесь, критикуйте, милости прошу, помогите правильно объяснить результаты опытов.

И. В. Курчатов и другие сотрудники лаборатории все подробнее выясняли механизм самопроизвольной поляризации сегнетовой соли. В каких кристаллах, толстых или тонких, сильнее проявляются электрические свойства? Оказалось, в толстых. При высоком их качестве и хороших контактах величина диэлектрической постоянной в малых полях доходит до гигантского значения — 190 тысяч единиц!

В ряде опытов удалось установить, что существует различие в величинах диэлектрической постоянной, измеряемой при разных направлениях электрического поля. Исследователи изучили пироэффект в сегнетовой соли, то есть появление зарядов на поверхности кристалла при изменении температуры. Выяснили особенности пьезоэффекта в сегнетоэлектриках — механические колебания, например звуковые, вызывают у сегнетоэлектрика электрические заряды и, наоборот, подведение переменного напряжения приводит к механическим колебаниям кристалла.

Глубоко проанализировал И. В. Курчатов и электрооптические свойства сегнетоэлектриков. Были рассмотрены показатель преломления, механические константы, коэффициент расширения, плотность при разных температурах, рассеяние рентгеновых лучей кристаллами.

И что особенно показательно — все экспериментальные данные Игорь Васильевич обосновал физическими и математическими выкладками, что и позволяет говорить о создании им новой области науки — учения о сегнетоэлектричестве.

С большим удовлетворением вникал Курчатов в техническое применение сегнетоэлектриков. Помните его слова, сказанные перед отъездом из Баку в Ленинград?

— А мы пойдем в физику, искать то, без чего вам, узким техникам, жить нельзя будет!

Наконец-то он начинает погашать выданный аванс! Сегнетоэлектрики открыли большой простор для техники. С их помощью удавалось умножать частоту тока. Начали строиться и испытываться микрофоны и громкоговорители с сегнетоэлектриками. А сейчас почти в каждой квартире можно встретить пьезоэлектрический репродуктор, берущий свое начало от сегнетоэлектрических приборов тех далеких лет.

Сегнетоэлектрик стал чувствительным элементом осциллографа. Одному из конструкторов, по словам И. В. Курчатова, удалось построить пьезоэлектрический осциллограф, который при разности потенциалов в 10 вольт давал возможность получить на шкале отклонения в 100 сантиметров.

Исследователи уже тогда приступили к поискам новых сегнетоэлектриков, у которых обозначились замечательные перспективы. Игорь Васильевич видел разгадку новых сегнетоэлектриков в изучении строения веществ, определяющих их свойства. Не случайно он так завершает свою монографию «Сегнетоэлектрики», изданную в 1933 году:

«Можно думать, что только с развитием общих представлений о структуре твердого тела удастся разыскать новые сегнетоэлектрики; но вместе с тем кажется несомненным, что эта задача будет успешно разрешена и на пути решения будут получены результаты, в свою очередь существенные в общих вопросах строения вещества».

Значит, дальнейшая разработка открытия настоятельно требовала заняться вопросами строения вещества. Характерно и другое — уверенность Игоря Васильевича в том, что новые сегнетоэлектрики будут найдены.

Развитие науки подтвердило его предсказания. Через десять лет в СССР был открыт новый сегнетоэлектрик — титанат бария. Б. М. Вул всесторонне исследовал его свойства, что способствовало быстрому внедрению в практику нового материала. Потом был открыт титанат свинца и другие сегнетоэлектрики.

О том, насколько высок был уровень исследований по сегнетоэлектричеству, выполненных во главе с И. В. Курчатовым, хорошо сказал академик А. Ф. Иоффе: «Об исследованиях Курчатова мне пришлось докладывать на международном электротехническом конгрессе в Париже и в лаборатории Резерфорда в Кембридже. Опыты были произведены исключительно четко, а системы кривых, изображавших зависимости эффекта от силы поля, от температуры, с такой убедительностью демонстрировали открытие, что к ним почти не требовалось пояснений. Мой доклад мог быть прочитан на интернациональном языке диаграмм». А. Ф. Иоффе докладывал о работах Курчатова по сегнетоэлектрикам во многих странах. Однажды он высказал такое категорическое мнение: «...самый выдающийся результат в учении о диэлектриках — это сегнетоэлектрики Курчатова и Кобеко». Не случайно монография И. В. Курчатова «Сегнетоэлектрики» была переведена сразу же на французский язык.