دراسة خصائص الاستقطاب للسيراميك الكهرضغطي

باعتبارها مادة جديدة ظهرت في السنوات الأخيرة، يستخدم السيراميك الكهرضغطي على نطاق واسع في تصنيع المنتجات الإلكترونية والأبحاث المعملية. يرتبط تباين ثابت العزل الكهربائي للسيراميك الكهرضغطي ارتباطًا وثيقًا بخصائصه الهيكلية ووضع الاستقطاب. ولذلك، فإن دراسة خصائص وضع الاستقطاب الخاص به لها مرجعية عالية لفهم أعمق والبحث في المواد الجديدة مثل السيراميك الكهرضغطي. تم تحليل وضع الاستقطاب للسيراميك الكهرضغطي من خلال التجارب، وتم التنبؤ بوضع الاستقطاب للسيراميك الكهروضغطي في ظل حالة المجال الكهربائي المتناوب الخارجي. تم قياس الطيف العازل بواسطة مطياف كهربائي، وتم التحقق من التنبؤ السابق عن طريق قياس الطيف العازل وتحليله.

الاستقطاب والمعلمات العازلة بلورات السيراميك الكهرضغطية هي في الغالب بلورات عازلة، والمعروفة أيضًا باسم المواد العازلة. تحت تأثير المجال الكهربائي الخارجي، سوف تتفاعل العوازل مع المجال الكهربائي الخارجي بطريقة حثية. تظهر كمية معينة من الشحنة في الجسم أو على السطح. وتسمى هذه الظاهرة بالاستقطاب. يتم تمثيل الكهربة بواسطة ناقل الاستقطاب العياني P، وهو ما يساوي المجموع المتجه لعزوم ثنائي القطب الكهربائي لكل وحدة حجم. إذا كان العدد المتساوي من الشحنات يترك مسافة تحت تأثير مجال كهربائي، وهو ما يمثل عزم ثنائي القطب الكهربائي لنظام الشحن، ويتم توجيه اتجاه l بواسطة الشحنة السالبة إلى الشحنة الموجبة. إن جوهر استقطاب العازل في المجال الكهربائي الخارجي هو أن الشحنة تشكل العازل الذي له إزاحة مجهرية تحت تأثير المجال الكهربائي الخارجي. سيتم إزاحة الشحنة الموجبة على طول خط الطاقة، وستقوم الشحنة السالبة بإزاحة خط الطاقة العكسي، مما يتسبب في قيام العازل الكهربائي بتوليد عزم ثنائي القطب كهربائي كلي. ضمن نطاق معين، يتناسب الاستقطاب P مع المجال الكهربائي الخارجي EP = ε0xE، ويسمى x معدل الاستقطاب. من تحليل الآلية المجهرية، هناك ثلاث طرق لتوليد الاستقطاب العازل، وهي استخدام استقطاب إزاحة الإلكترون لاستقطاب الإزاحة واستقطاب الاتجاه للجزيئات القطبية. وبغض النظر عن الاستقطاب الذي يحدث بالفعل، يمكن أن تعزى النتيجة إلى تكوين ثنائي القطب الكهربائي في الوسط، والذي يمكن وصفه بعزم ثنائي القطب الكهربائي للجزيء أو الذرة. يتم تحديد حجم μ ليس فقط من خلال المجال الكهربائي العياني E، ولكن أيضًا من خلال المجال الكهربائي الناتج عن الجزيئات المجاورة. مجموع الاثنين يسمى المجال الفعال Ei. في الصيغة μ = αEi، يُطلق على α قابلية استقطاب الجزيء أو الذرة، وهي كمية فيزيائية مجهرية تصف خصائص الاستقطاب للجزيء.

1.1 استقطاب إزاحة الإلكترون

تحت تأثير مجال كهربائي خارجي، سيتم تشويه سحابة الإلكترون في الذرات والأيونات التي تشكل العازل الكهربائي، مما يتسبب في تحرك سحابة الإلكترون بالنسبة للنواة، وبالتالي توليد عزم ثنائي القطب الكهربائي. ويسمى هذا الاستقطاب استقطاب إزاحة الإلكترونات. استقطاب إزاحة الإلكترون هو شكل من أشكال الاستقطاب الموجود في جميع المواد العازلة. يشير استقطاب إزاحة الإلكترون إلى أنه بسبب تأثير المجال الكهربائي الخارجي، سيكون للإلكترون احتمال معين لامتصاص الطاقة والانتقال بين مستويات الطاقة المقابلة. نظرًا لأن الإلكترونات الخارجية مرتبطة بشكل ضعيف بالذرات، فإن إزاحة الإلكترون للذرات مشتقة بشكل أساسي من إلكترونات التكافؤ. يتم تمثيل قابلية استقطاب الإزاحة للإلكترون بـ αe، ويفترض أن الجزيء قيد النظر عبارة عن كرة، والتي يتم حسابها بشحنة نقطية نموذج سيراميك بيزو كروي ونموذج مدار دائري.

استقطاب الإزاحة الأيونية

استقطاب الاتجاه لعزم ثنائي القطب الكهربائي الجوهري

إذا كان الجزيء يشكل العازل الكهربائي وهو جزيء قطبي، لا يتطابق مركز شحنته الإيجابية مع مركز الشحنة السالبة، فإنه يتمتع بعزم ثنائي القطب الكهربائي المتأصل. في حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي، منذ لحظة ثنائي القطب الكهربائي للجزيئات العازلة للحركة الحرارية يكون مكون السيراميك الكهرضغطي مضطربًا مكانيًا، واحتمال الإشارة في جميع الاتجاهات هو نفسه، كما تلغي لحظات ثنائي القطب الكهربائي الجزيئي بعضها البعض. ولذلك، فإن العازل ككل ليس لديه عزم ثنائي القطب الكهربائي. عند تطبيق مجال كهربائي خارجي، تتأثر الشحنات الموجبة والسالبة لثنائي القطب الكهربائي الجزيئي بقوة المجال الكهربائي، ويكون هناك ميل للإشارة نحو اتجاه المجال الكهربائي الخارجي، أو يجب الاحتفاظ بها في حالة مستقرة، بحيث يتم تقليل طاقة النظام إلى الحد الأدنى، ومن الضروري الإشارة إلى اتجاه المجال الكهربائي الخارجي. أو الحركة المسبقة حول مجال كهربائي خارجي. وفقًا للنظرية الإحصائية، فإن عدد الجسيمات عند الطاقة E يتناسب مع e=-EkT. وفقا لهذا، يمكن حساب الاستقطاب αd لاستقطاب اتجاه الجزيء العازل. Dd=μ2. في صيغة 3kT، μ هي عزم ثنائي القطب الكهربائي الجزيئي الجوهري، k هو ثابت بولتزمان، وT هي درجة الحرارة.

يمكن اعتبار الاستقطاب الكلي α للجزيء بمثابة مجموع استقطابات الآليات المختلفة α = αe + αa + αd. إذا كان عدد الجزيئات لكل وحدة حجم هو N، فيمكن ربط ناقل الاستقطاب العياني P مع قابلية الاستقطاب الجزيئي المجهري α. P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi، وبالتالي فإن المجال الكهربائي الفعال Ei الذي يدركه كل استقطاب جزيئي في الوسط الثابت العازل يختلف عن متوسط ​​المجال الكهربائي العياني E. بالنسبة للجزيء، فإنه لا يتأثر فقط بـ E، ولكن أيضًا بالمجال الكهربائي الناتج عن الاستقطابات الأخرى. من المتصور أن النموذج الجزيئي الذي تم فحصه هو عبارة عن كرة، ونصف قطر الكرة أكبر بكثير من المسافة بين الذرات. تأثير الاستقطاب الجزيئي خارج يمكن معالجة محول الطاقة الكهرضغطية بالموجات فوق الصوتية كوسيط مستقطب مستمر بطريقة مجهرية. يتم تمثيل استجابات الدرجة لتغير المجال الخارجي أثناء استقطاب الوسط بزمن الاسترخاء τ. المعنى الفيزيائي لـ τ هو إضافة مجال كهربائي ثابت إلى العازل الكهربائي، وإزالة المجال الكهربائي بعد استقرار الاستقطاب، وتمرير الوقت τ، الاستقطاب P .يتم تقليل مجموع متجهات عزم ثنائي القطب الكهربائي في الحجم إلى 1/e من PM الأصلي، أي P=Pmetτ. نظرًا لوجود استرخاء في عملية الاستقطاب، فإن تغييرات D (ناقل الإزاحة) وP وE ليست في الطور. D، P سوف يتخلف عن المرحلة E. ويمثل المجال الكهربائي المتناوب الجيبي برقم مركب. من أجل قياس طيف العزل الكهربائي للسيراميك الكهروضغطي، في هذه التجربة، يتم وضع صفارة مصنوعة من السيراميك الكهرضغطي بين لوحتين كهربائيتين دائريتين، ويضاف التردد الزاوي إلى لوح القطب الكهربائي والجهد الجيبي بقيمة ω.