Это явление привлекло к себе внимание многих исследователей. Начались поиски кристаллов, электризующихся при сжатии. Проходили они весьма успешно. За короткое время было обнаружено, что, кроме кварца, электризуются турмалин, сегнетовая соль, цинковая обманка, хлорат натрия и сахар. Все эти вещества получили название пьезоэлектриков.

Оказалось, что заряды на гранях кристаллов могут возникнуть и в том случае, когда кристаллы растягивают, но при этом образуются заряды противоположного знака.

Изучая это явление теоретически, ученые пришли к выводу, что пьезоэлектрический эффект может быть обратим. Это означало, что если на гранях кристалла расположить электрические заряды противоположных знаков, то он либо сожмется, либо растянется. Братья Кюри заинтересовались этим теоретическим предвидением и подвергли его экспериментальной проверке. Результаты их опытов оказались положительными: заряжая грани кристалла, они наблюдали сжатие и расширение. Однако серьезного практического применения этому явлению они не нашли. Правда, на этом принципе ими был сконструирован манометр — прибор для измерения давления, но особых преимуществ перед другими манометрами он не имел.

О замечательных особенностях кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли и других постепенно стали забывать.

Явление пьезоэлектричества вскоре после его открытия осталось без всякого внимания, так как не нашло себе практического применения. Упоминали о нем на лекциях как о забавном способе получения электрических зарядов.

Но история развития науки знает немало таких примеров, когда ученые возвращались к давно открытым, оставленным без внимания явлениям, находясь в тупике при решении неотложной практической задачи. Так получилось и с пьезоэлектрическим эффектом. В мировую войну 1914–1918 годов немецкие подводные лодки серьезно затрудняли мореплавание надводных кораблей Франции и Англии. Нужно было найти способ обнаружить подводную лодку задолго до того, как она приблизится к надводному кораблю, чтобы нанести ему смертельный удар. За решение этой задачи взялся известный французский ученый Ланжевен. Ему пришла мысль воспользоваться тем, что лодка, двигаясь, создает винтом в воде упругие волны. Они распространяются со скоростью более 1500 метров в секунду. Следовательно, если погрузить кристалл кварца в воду, в которой происходят сжатия и разрежения, то он будет тоже сжиматься и растягиваться вследствие сжатия и разрежения окружающей его воды. На его гранях в это время будут появляться и исчезать электрические заряды, которые легко обнаружить.

Вот когда пригодился забытый эффект. Опыты Ланжевена, проведенные в 1916 году, оказались успешными. Он быстро сконструировал прибор, который улавливал шум подводных лодок, и подводные лодки уже не могли считать себя неуловимыми. А Ланжевен экспериментировал дальше. Он попробовал подействовать на пластинки кварца током высокой частоты — попеременно заряжать грани кристалла кварца электричеством от генератора переменного тока. И кристалл покорно повторял изменения тока — он начал колебаться в такт с изменением знаков заряда. Так пьезоэлектрический эффект и был вывернут наизнанку, то есть обращен для получения колебаний высокой частоты. Мы скоро узнаем, для чего это было сделано. Быструю перемену электрических зарядов на гранях кристалла в то время уже умели производить при помощи специальных электрических генераторов. Число колебаний в секунду довели до десятков и сотен тысяч.

Так, используя пьезоэлектрики, научились получать ультразвуки.

Другой способ получения ультразвука был открыт и исследован тоже не совсем обычно. Немецкий физик Джоуль в 1847 году при изучении магнитных свойств металлов обнаружил странное явление. Он брал стержень из хорошо намагничивающихся веществ, таких, как железо, кобальт, никель, наматывал на него провод, а затем пропускал переменный ток. И под действием переменного магнитного поля, которое в этом случае возникало, стержень изменял свои размеры и форму. Он то уменьшался, то увеличивался в такт с изменением направления тока. Колеблющийся стержень способен вызвать колебания окружающего воздуха, то есть породить звуки. Но если число перемен направления тока в секунду сделать очень большим и, следовательно, заставить стержень совершать такое же число колебаний, то можно получить колебания очень высокой частоты — звуки, не слышимые ухом.

Изменение размеров стержня при перемагничивании получило название магнитострикции, от латинского слова «стрикстус», что означает сжатие. Это явление также обратимо. При быстром сжатии или растяжении такого стержня в проволоке, которой он обмотан, потечет переменный электрический ток.

Магнитострикция значительно большее время находилась в забвении, хотя и была открыта гораздо раньше, чем пьезоэлектричество. Мысль об использовании этого явления для получения колебаний высокой частоты возникла совсем недавно, уже после того, как были созданы пьезоэлектрические излучатели и приемники ультразвука.

А между тем магнитострикционные приборы прочны и удобны в обращении. Поэтому сейчас они становятся все распространеннее.

Мы не будем касаться конструкции различных приборов, в которых используются явления пьезоэлектричества и магнитострикции для получения ультразвука.

Лучше поговорим теперь о том, зачем нам собственно понадобились неслышимые ультразвуки, чем они помогают нам жить, как используются.

Это целая глава в современной технике, глава новая, которая написана совсем недавно. К ней все время дописываются целые разделы. И многое из того, о чем мы здесь расскажем, вас, наверное, удивит, так как вы узнаете, что давно пользуетесь услугами ультразвука, что он ваш старый, хороший друг.

Все многообразие технических усовершенствований создается по мере глубокого изучения различных свойств ультразвука и возможного сочетания их с другими, уже изученными явлениями природы. Вот, например, так называемый ультразвуковой фонтан. Представьте себе сосуд с минеральным маслом, на дне которого расположен излучатель ультразвука.

Ультразвуковой фонтан

Колебания излучателя передаются окружающей его жидкости — в ней распространяются ультразвуковые волны. Достигая поверхности жидкости, они создают при малых амплитудах зыбь. При достаточно больших амплитудах, когда силы поверхностного натяжения жидкости оказываются меньше сил упругости, поверхность жидкости над пластинкой, излучающей ультразвук, разрушается и образуется фонтан. Высота такого ультразвукового фонтана достигает нескольких десятков сантиметров.