Даследаванне палярызацыйных характарыстык п'езаэлектрычнай керамікі

Як новы матэрыял, які з'явіўся ў апошнія гады, п'езаэлектрычная кераміка шырока выкарыстоўваецца ў вытворчасці электронных вырабаў і лабараторных даследаваннях. Змена дыэлектрычнай пранікальнасці п'езаэлектрычнай керамікі цесна звязана з яе структурнымі характарыстыкамі і рэжымам палярызацыі. Такім чынам, вывучэнне характарыстык рэжыму яго палярызацыі мае высокую апору для больш глыбокага разумення і даследаванняў новых матэрыялаў, такіх як п'езаэлектрычная кераміка. Эксперыментальна прааналізаваны рэжым палярызацыі п'езаэлектрычнай керамікі і прадказаны рэжым палярызацыі п'езаэлектрычнай керамікі пры ўмове знешняга пераменнага электрычнага поля. Дыэлектрычны спектр быў вымераны электрычным спектрометрам, і папярэдні прагноз быў правераны з дапамогай вымярэння дыэлектрычнага спектру і прааналізаваны.

Палярызацыйныя і дыэлектрычныя параметры П'езаэлектрычныя крышталі керамікі ў асноўным дыэлектрычныя крышталі, таксама вядомыя як дыэлектрыкі. Пад дзеяннем знешняга электрычнага поля дыэлектрыкі будуць рэагаваць на знешняе электрычнае поле індуктыўным спосабам. У целе або на паверхні з'яўляецца пэўны зарад. Гэта з'ява называецца палярызацыяй. Электрадэізацыя адлюстроўваецца макраскапічным вектарам палярызацыі Р, які роўны вектарнай суме электрычных дыпольных момантаў адзінкі аб'ёму. Калі роўная колькасць зарадаў, якія пакідаюць адлегласць пад дзеяннем электрычнага поля, якое ўяўляе электрычны дыпольны момант сістэмы зарадаў, а кірунак l накіраваны ад адмоўнага зарада да станоўчага. Сутнасць палярызацыі дыэлектрыка ў знешнім электрычным полі заключаецца ў тым, што зарад, які складае дыэлектрык, мае макраскапічнае зрушэнне пад дзеяннем знешняга электрычнага поля. Станоўчы зарад будзе зрушаны ўздоўж лініі электраперадач, а адмоўны зарад будзе зрушваць адваротную лінію электраперадач, што прымушае дыэлектрык генераваць макраэлектрычны дыпольны момант. У пэўным дыяпазоне палярызацыя P прапарцыянальная напружанасці вонкавага электрычнага поля EP = ε0xE, а x называецца хуткасцю палярызацыі. Зыходзячы з аналізу мікраскапічнага механізму, ёсць тры спосабы генерацыі дыэлектрычнай палярызацыі, а менавіта палярызацыя зрушэннем электронаў выкарыстоўваецца для палярызацыі зрушэння і палярызацыі арыентацыі палярных малекул. Незалежна ад таго, якая палярызацыя сапраўды адбываецца, вынік можа быць звязаны з утварэннем электрычнага дыполя ў асяроддзі, які можна ахарактарызаваць электрычным дыпольным момантам μ малекулы або атама. Памер μ вызначаецца не толькі макраскапічным электрычным полем E, але і электрычным полем, якое ствараецца суседнімі малекуламі. Сума іх двух называецца эфектыўным полем Ei. У формуле μ = αEi, α называецца палярызацыйнасцю малекулы або атама, і гэта мікраскапічная фізічная велічыня, якая апісвае палярызацыйныя характарыстыкі малекулы.

1.1 Палярызацыя зрушэння электронаў

Пад дзеяннем знешняга электрычнага поля электроннае воблака ў атамах і іонах, якія складаюць дыэлектрык, будзе скажацца, што прымушае электроннае воблака рухацца адносна ядра, ствараючы такім чынам электрычны дыпольны момант. Гэтая палярызацыя называецца палярызацыяй зрушэння электронаў. Палярызацыя зрушэння электронаў - гэта форма палярызацыі, якой валодаюць усе дыэлектрыкі. Палярызацыя зрушэння электрона паказвае, што з-за ўздзеяння знешняга электрычнага поля электрон будзе мець пэўную верагоднасць паглынання энергіі і пераходу паміж адпаведнымі ўзроўнямі энергіі. Паколькі знешнія электроны слаба звязаны з атамамі, электроннае зрушэнне атамаў у асноўным адбываецца ад валентных электронаў. Палярызавальнасць зрушэння электрона прадстаўлена αe, і мяркуецца, што разгляданая малекула ўяўляе сабой сферу, якая вылічваецца кропкавым зарадам сферычная п'езакерамічная мадэль і мадэль кругавой арбіты.

Палярызацыя зрушэння іёнаў

Арыентацыйная палярызацыя ўласнага электрычнага дыпольнага моманту

Калі малекула ўяўляе сабой дыэлектрык, які з'яўляецца палярнай малекулай, у якой цэнтр станоўчага зарада не супадае з цэнтрам адмоўнага зарада, ёй уласцівы электрычны дыпольны момант. Пры адсутнасці вонкавага электрычнага поля, паколькі электрычны дыпольны момант цеплавога руху малекул дыэлектрыка п'езаэлектрычны керамічны кампанент прасторава неўпарадкаваны, верагоднасць паказу ва ўсіх напрамках аднолькавая, а малекулярныя электрычныя дыпольныя моманты кампенсуюць адзін аднаго. Такім чынам, дыэлектрык у цэлым не мае электрычнага дыпольнага моманту. Калі прымяняецца знешняе электрычнае поле, дадатныя і адмоўныя зарады малекулярнага электрычнага дыполя падвяргаюцца ўздзеянню сілы электрычнага поля, і існуе тэндэнцыя накіраваць кірунак знешняга электрычнага поля, або яны павінны падтрымлівацца ў стабільным стане, каб энергія сістэмы была мінімізавана, і неабходна паказаць кірунак знешняга электрычнага поля. Або прэцэсія вакол вонкавага электрычнага поля. Паводле статыстычнай тэорыі, колькасць часціц з энергіяй E прапарцыйная e=-EkT. У адпаведнасці з гэтым можна разлічыць палярызавальнасць αd арыентацыйнай палярызацыі малекулы дыэлектрыка. Dd=μ2. У формуле 3kT μ — уласны электрычны дыпольны момант малекулы, k — пастаянная Больцмана, T — тэмпература.

Агульную палярызуемасць α малекулы можна разглядаць як суму палярызуемасці розных механізмаў α = αe + αa + αd. Калі колькасць малекул на адзінку аб'ёму роўная N, макраскапічны вектар палярызацыі P можна суаднесці з мікраскапічнай малекулярнай палярызацыйнасцю α. P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi, таму эфектыўнае электрычнае поле Ei, якое ўспрымаецца кожнай палярызацыяй малекул у асяроддзі з дыэлектрычнай пранікальнасцю, адрозніваецца ад макраскапічнага сярэдняга электрычнага поля E. Для малекулы на яго ўплывае не толькі E, але і электрычнае поле, якое ствараецца іншымі палярызацыямі. Мяркуецца, што разгляданая малекулярная мадэль уяўляе сабой сферу, а радыус сферы значна большы за адлегласць паміж атамамі. Ўплыў малекулярнай палярызацыі звонку ультрагукавы п'езаэлектрычны пераўтваральнік можна разглядаць як бесперапынную палярызаванае асяроддзе макраскапічным спосабам. Ступень рэакцыі на змяненне знешняга поля падчас палярызацыі асяроддзя прадстаўлена часам рэлаксацыі τ. Фізічны сэнс τ заключаецца ў даданні пастаяннага электрычнага поля да дыэлектрыка, выдаленні электрычнага поля пасля стабілізацыі палярызацыі і праходжанні часу τ, палярызацыі P. Сума вектараў электрычнага дыпольнага моманту ў аб'ёме памяншаецца да 1/e ад зыходнага pm, г.зн. P=Pmetτ. Паколькі ў працэсе палярызацыі адбываецца рэлаксацыя, D (вектар зрушэння), змены P і E не знаходзяцца ў фазе. D, P будуць адставаць ад фазы E. Сінусоіднае пераменнае электрычнае поле прадстаўлена комплексным лікам. Каб вымераць дыэлектрычны спектр п'езаэлектрычнай керамікі, у гэтым эксперыменце гукавы сігнал, выраблены з п'езаэлектрычнай керамікі, змяшчаецца паміж дзвюма круглымі лістамі электродаў, а вуглавая частата дадаецца да ліста электрода і сінусоіднага напружання ω.