تحليل خصائص السيراميك الكهرضغطية

 التأثير الكهرضغطي والتأثير العازل للسيراميك الكهرضغطي

 

التأثير الكهرضغطي هو أنه عندما تتشوه بعض العوازل بقوة خارجية في اتجاه معين، يحدث الاستقطاب في الداخل، وتظهر شحنات متعاكسة موجبة وسالبة على السطحين المتقابلين لها. عند إزالة القوة الخارجية، ستعود إلى الحالة غير المشحونة. وتسمى هذه الظاهرة بالتأثير الكهرضغطي الإيجابي. عندما يتغير اتجاه القوة، تتغير قطبية الشحنة أيضًا. على العكس من ذلك، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي في اتجاه استقطاب العازل الكهربائي، تتشوه هذه العوازل أيضًا، ويختفي تشوه العازل الكهربائي بعد إزالة المجال الكهربائي. وتسمى هذه الظاهرة بالتأثير الكهروضغطي العكسي أو الانقباض الكهربائي. يُطلق على أحد أنواع أجهزة الاستشعار التي تم تطويرها بناءً على تأثير العزل الكهربائي الانضغاطي اسم مستشعر البلورات الكهرضغطية.

 

 

أي وسط في المجال الكهربائي سوف يسبب تشوه الوسط بسبب تأثير الاستقطاب المستحث، وهذا التشوه يختلف عن التشوه الناتج عن التأثير الكهرضغطي العكسي. قد يتشوه العازل الكهربائي بشكل مرن بواسطة قوة خارجية، وقد يتشوه مستشعر الضرب الخزفي الكهرضغطي بسبب استقطاب المجال الكهربائي الخارجي. يتناسب التشوه الناتج عن الاستقطاب المستحث مع مربع المجال الكهربائي الخارجي، وهو تأثير كهربي. التشوه الذي ينتجه مستقل عن اتجاه المجال الكهربائي الخارجي. يتناسب التشوه الناتج عن التأثير الكهرضغطي العكسي مع المجال الكهربائي الخارجي، وعندما يتم عكس المجال الكهربائي، يتغير التشوه أيضًا (على سبيل المثال، يمكن تقصير الاستطالة الأصلية، أو يمكن تغيير التقصير الأصلي إلى استطالة). بالإضافة إلى ذلك، فإن تأثير الانقباض الكهربائي موجود في جميع العوازل، سواء كانت غير كهرضغطية أو كهرضغطية، وله فقط تأثيرات الانقباض الكهربائي للبلورات العازلة ذات الهياكل المختلفة. التأثير الكهرضغطي العكسي موجود فقط في بلورات السيراميك الكهرضغطية.

 

تسمى مادة PZT بلورة السيراميك الانضغاطية التي تنتج تأثيرًا كهرضغطيًا بلورة كهرضغطية. أحد أنواع البلورات الكهرضغطية هو بلورة مفردة مثل الكوارتز (SiO2)، طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم (المعروف أيضًا باسم الملح الخاسر، NaKC4H4O6.H2O)، روثينات البزموت (Bi12GeO20). يتم استدعاء نوع آخر من البلورات الكهرضغطية على السيراميك الكهرضغطي، مثل تيتانات الباريوم (BaTiO3)، تيتانات زركونات الرصاص Pb(ZrxTirx)O3، تيتانات زركونات المغنيسيوم البزموت الرصاص المصنوعة في اليابان، المضافة إلى PZT، منغنيز البزموت المصنوع في الصين. تمت إضافة تيتانات زركونات الرصاص Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 إلى PIT.

 

العازل الكهربائي هو عازل يمكن إلكتروده. استخدام العوازل الكهربائية واسع النطاق للغاية. إن الموصلية العازلة لعنصر السيراميك الكهرضغطي منخفضة جدًا، إلى جانب خصائص قوة العزل الكهربائية الجيدة، والتي يمكن استخدامها لصنع العوازل الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون العازل كهربائيًا بدرجة عالية وهو مادة مكثفة ممتازة. تتضمن دراسة خصائص العزل الكهربائي تخزين وتبديد الطاقة الكهربائية والمغناطيسية داخل المادة. هذه الدراسة مهمة للغاية لشرح الظواهر المختلفة للإلكترونيات والبصريات وفيزياء الحالة الصلبة. تشير خصائص العزل الكهربائي إلى خصائص تخزين وفقدان الطاقة الكهروستاتيكية تحت تأثير المجال الكهربائي، والتي يتم التعبير عنها عادةً بثبات العزل الكهربائي وفقدان العزل الكهربائي. عندما يتم تطبيق التكنولوجيا عالية التردد على المواد، مثل الأرضيات المركبة من الخشب الصلب، تكون خصائص العزل الكهربائي مهمة جدًا عند استخدام الضغط الساخن عالي التردد. عند تطبيق الوسط بمجال كهربائي، يتم توليد شحنة مستحثة لإضعاف المجال الكهربائي. إن نسبة المجال الكهربائي المطبق الأصلي (في الفراغ) إلى المجال الكهربائي في الوسط النهائي هي السماحية، والمعروفة أيضًا باسم معدل التيار المستحث.

 

في الكهرومغناطيسية، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي من أقراص الأزرار الكهرضغطية على عازل، يتم إنشاء ثنائي القطب الكهربائي بسبب الإزاحة النسبية للشحنات الموجبة والسالبة داخل العازل. وتسمى هذه الظاهرة بالاستقطاب الكهربائي. قد يكون المجال الكهربائي المطبق مجالًا كهربائيًا خارجيًا أو مجالًا كهربائيًا يتم توليده بواسطة شحنة حرة مدمجة داخل العازل الكهربائي. يسمى ثنائي القطب الكهربائي الناتج عن الاستقطاب 'ثنائي القطب الكهربائي الحثي'، ويسمى عزم ثنائي القطب الكهربائي الخاص به بالعزم ثنائي القطب الكهربائي الحثي. يتمتع السيراميك الانضغاطي بقدرة على تشكيل القطب الكهربائي تحت تأثير المجال الكهربائي. تنقسم إلى العزل الكهربائي، والمكثفات، والسيراميك الكهرضغطي، والكهرضغطي، والسيراميك الكهروضوئي حسب استخدامها وأدائها.

استقطاب عازل السيراميك الكهرضغطي

 

بلورات السيراميك الكهرضغطية عبارة عن عوازل كهربائية ومتباينة الخواص، وبالتالي فإن خصائص العزل الكهربائي للبلورات الكهرضغطية تختلف عن تلك الخاصة بالعوازل المتناحية.

يتم استقطاب العازل الكهربائي تحت تأثير المجال الكهربائي، وحالة الاستقطاب هي الحالة التي يمارس فيها المجال الكهربائي قوة إزاحة نسبية على نقطة شحن العازل الكهربائي وتوازنًا مؤقتًا للتجاذب المتبادل بين الشحنات. المجال الكهربائي هو السبب الخارجي للاستقطاب. السبب الداخلي للاستقطاب يكمن في داخل الوسط. مع العمليات المجهرية داخل الوسط، هناك ثلاث آليات رئيسية للاستقطاب.

 

(1) ذرة أو أيون يشكل عازلاً. تحت تأثير المجال الكهربائي، لا تتزامن النواة ذات الشحنة الموجبة مع المركز السلبي لإلكترون غلافها، وبالتالي تولد عزم ثنائي القطب الكهربائي. ويسمى هذا الاستقطاب استقطاب إزاحة الإلكترون.

(2) تخضع الأيونات الموجبة والسالبة التي تشكل العوازل الكهربائية لإزاحة نسبية تحت تأثير المجال الكهربائي، مما يؤدي إلى لحظة كهربائية ثنائية القطب تسمى استقطاب الإزاحة الأيونية.

(3) الجزيئات التي يتكون منها العازل الكهربائي هي جزيئات قطبية ذات لحظة كهربائية جوهرية معينة، ولكن بسبب الحركة الحرارية، يكون الاتجاه مضطربًا، ويكون العزم الكهربائي الإجمالي للعازل الكهربائي بأكمله صفرًا. عندما يعمل مجال كهربائي خارجي، سيتم محاذاة عزوم ثنائي القطب الكهربائي هذه على طول المجال الخارجي، وتنتج بلورة كهرضغطية بالموجات فوق الصوتية عزمًا كهربائيًا ثنائي القطب عيانيًا في العازل الكهربائي، وهو ما يسمى باستقطاب الاتجاه.

 

1. استقطاب الإزاحة لجزيء لا نهائي

 

عندما يكون العازل الكهربائي في مجال كهربائي خارجي تحت تأثير قوة المجال الكهربائي، فإن مراكز الشحن الإيجابية والسلبية للجزيء سوف تنتج إزاحات نسبية لتشكيل ثنائي القطب الكهربائي، وعزوم ثنائي القطب الكهربائي المكافئة P موجهة على طول اتجاه المجال الكهربائي. بالنسبة للعازل الكهربائي الانضغاطي ككل، نظرًا لأن كل جزيء في العازل يشكل ثنائيات أقطاب كهربائية، يتم ترتيبها في العازل الكهربائي. تكون الشحنات الموجبة والسالبة لثنائيات القطب الكهربائية المجاورة في العازل الكهربائي قريبة من بعضها البعض. إذا كان العازل منتظمًا، فإنه يظل محايدًا كهربائيًا في جميع أنحاءه، ولكن على سطح العازل المتعامد مع شدة المجال الكهربائي الخارجي E0. ستكون هناك شحنات موجبة وسالبة، على التوالي، والتي لا يمكنها مغادرة العازل الكهربائي ولا يمكنها التحرك بحرية في العازل الكهربائي. وتسمى ظاهرة الشحنات المستقطبة في العازل تحت تأثير مجال كهربائي خارجي باستقطاب العازل الكهربائي. كلما كان المجال الكهربائي الخارجي أقوى، كلما زاد الإزاحة النسبية بين مراكز الشحنة الإيجابية والسلبية لكل جزيء، وكلما زاد عزم ثنائي القطب الكهربائي للجزيء، ظهرت شحنات أكثر استقطابًا على سطحي العازل الكهربائي، وكلما زاد الاستقطاب. عند إزالة المجال الكهربائي الخارجي لمحول الطاقة الكهرضغطية بتردد الرنين، تكون مراكز الشحنات الموجبة والسالبة متطابقة مرة أخرى (P = 0)، لذلك يمكن اعتبار هذا النوع من الجزيء بمثابة ثنائي القطب الكهربائي المرن الذي ترتبط قوته المرنة بشحنتين كهربائيتين مكافئتين مكافئتين. يتناسب حجم عزم ثنائي القطب الكهربائي P مع شدة المجال. وبما أن استقطاب الجزيء اللانهائي يكمن في الإزاحة النسبية لمركز الشحنات الموجبة والسالبة، فإنه غالبا ما يطلق عليه قليلا.

 

الاستقطاب الموجه للجزيئات القطبية

 

أما بالنسبة للعازل الجزيئي القطبي، فإن مركز الشحنات الموجبة والسالبة في الجزيء يعادل ثنائي القطب الكهربائي. تحت تأثير المجال الكهربائي الخارجي، سيتم إخضاعه للحظة، بحيث يتم تحويل عزم ثنائي القطب الكهربائي P للجزيء إلى اتجاه المجال الكهربائي. وبسبب تداخل الحركة الحرارية الجزيئية، فإن هذا التوجيه صغير جدًا، ومن المستحيل محاذاة العزوم الكهربائية ثنائية القطب لجميع الجزيئات على طول اتجاه المجال الكهربائي. كلما كان المجال الكهربائي الخارجي أقوى للسيراميك الكهرضغطي الكهربائي، كلما كان ترتيب التوجيه لعزم ثنائي القطب الكهربائي للجزيء أكثر ترتيبًا. على المستوى العياني، كلما ظهرت الشحنات الأكثر استقطابًا على كلا السطحين المتعامدين مع العازل والمجال الكهربائي الخارجي، كلما زادت درجة الاستقطاب. عند إزالة المجال الكهربائي الخارجي، يصبح اتجاه عزم ثنائي القطب الكهربائي للجزيء ترتيبًا غير منتظم بسبب الحركة الحرارية للجزيئات، ويظل العازل محايدًا. يقع استقطاب الجزيئات القطبية في الاتجاه الذي يتحول فيه ثنائي القطب الكهربائي المكافئ إلى المجال الكهربائي الخارجي، لذلك يسمى الاستقطاب الاتجاهي. بشكل عام، بينما تكون الجزيئات مستقطبة في نفس الوقت، هناك أيضًا استقطاب الإزاحة. على الرغم من أن العمليات المجهرية للاستقطاب لنوعين من العوازل الكهربائية، فإن القطبية مختلفة، ولكن التأثيرات العيانية هي نفسها. تظهر الشحنات المستقطبة ذات أعداد مختلفة من أجهزة استشعار الألواح الكهرضغطية على السطحين المتقابلين للعازل الكهربائي، ويزداد المجال الكهربائي الخارجي. تظهر الشحنات الأكثر استقطابا. ولذلك، عندما يتم وصف ظاهرة الاستقطاب للعازل الكهربائي بشكل مجهري أدناه، ليس من الضروري تقسيمها إلى نوعين من العوازل للمناقشة.

3. الكهرباء الحديدية لبلورات السيراميك الكهرضغطية

 

استقطاب بعض العوازل الكهربائية خاص جدًا. في نطاق درجة حرارة معينة، لا تكون ثوابت العزل الكهربائي ثابتة، ولكنها تختلف باختلاف شدة المجال، وبعد إزالة المجال الكهربائي الخارجي، تصبح هذه العوازل غير محايدة. هناك الاستقطاب المتبقية. من أجل أن تكون مماثلة لحقيقة أن المواد المغناطيسية الحديدية يمكن أن تظل ممغنطة، غالبًا ما يشار إلى هذه الخاصية لمحول الطاقة الخزفي الانضغاطي باسم الكهرباء الحديدية. يُطلق على العازل الكهروضوئي اسم العازل الكهروحراري. من بينها، سيراميك تيتانات الباريوم (BaTiO3)، وطرطرات الصوديوم والبوتاسيوم أحادية البلورة (NaKC4H4O6⋅H2O) وما شابه ذلك هي الأكثر بروزًا. سوف تظهر الكهرباء الحديدية التباطؤ أثناء عملية الترسيب الكهربي. تُظهر حلقة التباطؤ أن الاستقطاب بين الجسم الكهروضوئي والمجال الكهربائي المطبق غير خطي، ويتم عكس الاستقطاب مع عكس المجال الكهربائي الخارجي. انقلاب الاستقطاب هو نتيجة لانعكاس المجال، وبالتالي فإن حلقة التباطؤ تشير إلى وجود المجالات في متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف. المجالات المزعومة هي مناطق صغيرة تكون فيها اتجاهات الاستقطاب التلقائي في مجال الطاقة الكهروضوئية موحدة، والمجالات. وتسمى الحدود بينهما جدار المجال. عادة ما تكون البلورات الكهرضغطية لمنتجات السيراميك الكهرضغطية متعددة المجالات، والاستقطاب التلقائي في كل مجال له نفس الاتجاه، والاستقطاب التلقائي في المجالات المختلفة قوي.

 

بالنسبة للكهرباء الحديدية متعددة البلورات، لا يوجد انتظام بين التوجهات النسبية للاستقطاب التلقائي في المجالات المختلفة للبلورات بأكملها بسبب التعسف الكامل لاتجاه المحاور البلورية بين الحبوب.

عمومًا، لا تشكل الكهرباء الحديدية مجالات مفردة تلقائيًا، ولكن يمكن أن تكون البلورات متعددة المجالات أحادية المجال تحت مجال كهربائي خارجي قوي. تحت تأثير مجال كهربائي خارجي قوي، فإن حجم مجال الاستقطاب التلقائي في البلورة متعددة المجالات المتوازية أو القريبة من اتجاه المجال الخارجي سوف يتوسع بسرعة بسبب تكوين نوى مجال جديدة وحركة جدران المجال، وسينخفض ​​حجم المجال في اتجاهات أخرى بسرعة. يختفي الصغير، وهو ما يحول البلورة بأكملها إلى مجال واحد. تحت تأثير المجال الكهربائي الخارجي، تسمى العملية الديناميكية لنواة المجال الجديدة وحركة جدار المجال بعملية عكس المجال. يحتوي هذا الانعكاس على بعض خصائص التباطؤ، لذلك يُظهر العازل الكهربائي الشفاف حلقة التباطؤ المذكورة أعلاه.

 

بالنظر إلى بلورة انضغاطية واحدة، نفترض أن اتجاه الاستقطاب التلقائي له احتمالان فقط. إنه موجب وسالب على طول محور بلوري معين؛ اتجاه المجال الكهربائي الخارجي موازي لمحور الاستقطاب. عندما يكون المجال الكهربائي الخارجي صفرًا، يكون استقطاب المجالات المجاورة في البلورة معاكسًا، ويكون العزم الكهربائي الإجمالي للبلورة صفرًا. عندما يزداد المجال الكهربائي الخارجي تدريجياً، فإن حجم مجال اتجاه الاستقطاب العفوي المعاكس لاتجاه المجال الكهربائي سوف يتناقص تدريجياً بسبب انقلاب المجال، وتكون تلك المجالات لها نفس الاتجاه حيث يتوسع المجال الكهربائي تدريجياً، بحيث تكون البلورة في اتجاه المجال الخارجي. وتزداد الشدة مع زيادة المجال الكهربائي. عندما يزيد المجال الكهربائي لعنصر القرص الكهرضغطي بدرجة كافية لعكس جميع المجالات العكسية في البلورة إلى المجال الخارجي، تصبح البلورة مجالًا واحدًا، ويصل استقطاب البلورة إلى التشبع، ومن ثم يزداد المجال الكهربائي. سيزداد الاستقطاب خطيًا مع المجال الكهربائي (مثل استقطاب العازل النموذجي) وسيصل إلى قيمة قصوى Pmax، وهي دالة للمجال الكهربائي الأعلى استقطابًا. عندما يتم استقراء الجزء الخطي إلى مجال كهربائي صفر، فإن التقاطع الناتج Ps على المحور الرأسي يسمى الاستقطاب المشبع، وهو في الواقع الاستقطاب التلقائي لكل مجال. عندما يبدأ المجال الكهربائي في الانخفاض من C، سوف يتناقص الاستقطاب تدريجياً على طول منحنى CB. عندما يتم تقليل المجال الكهربائي لمكون السيراميك الكهرضغطي إلى الصفر، فإن الاستقطاب ينخفض ​​إلى قيمة معينة Pr، وهو ما يسمى الاستقطاب المتبقي للكهرباء الحديدية. عندما يتغير اتجاه المجال الكهربائي ويزيد إلى Ec في الاتجاه السلبي، ينخفض ​​الاستقطاب إلى الصفر، ويستمر المجال الكهربائي العكسي في الزيادة، وينعكس الاستقطاب. تسمى Ec بقوة المجال القسري للكهرباء الحديدية. مع استمرار المجال الكهربائي العكسي في الزيادة، يستمر الاستقطاب في الزيادة في اتجاه التدرج السلبي ويصل إلى قيمة التشبع (-Pr) في الاتجاه السلبي، ويصبح محول الطاقة الكهرضغطية بالموجات فوق الصوتية بلورة ذات مجال واحد ذات استقطاب سلبي. إذا تغير المجال الكهربائي بشكل مستمر من قيمة سالبة عالية إلى قيمة موجبة عالية، يبدأ المجال الموجب بالتشكل والنمو مرة أخرى حتى تصبح البلورة بأكملها بلورة مجال واحد مع استقطاب أمامي مرة أخرى. خلال هذه العملية، يتم إرجاع الاستقطاب إلى النقطة C على طول جزء FGH من خط العودة. وبالتالي، تحت تأثير مجال كهربائي متناوب كبير، يتغير المجال الكهربائي لمدة أسبوع واحد، ويتم تكرار العملية المذكورة أعلاه مرة واحدة، مما يوضح حلقة التباطؤ الموضحة. المساحة المحاطة بخط العودة هي الطاقة اللازمة لعكس الاستقطاب مرتين.