فروالکتریک کریستال های سرامیکی پیزوالکتریک

پلاریزاسیون برخی دی الکتریک ها بسیار خاص است. در یک محدوده دمایی مشخص، ثابت دی الکتریک آنها ثابت نیست، اما با شدت میدان تغییر می کند و پس از حذف میدان الکتریکی خارجی، این دی الکتریک ها خنثی نیستند. قطبی شدن باقی مانده وجود دارد. به منظور قیاس با این واقعیت که مواد فرومغناطیسی می توانند مغناطیسی باقی بمانند، این ویژگی از مبدل سرامیکی پیزو اغلب به عنوان فروالکتریک شناخته می شود. دی الکتریک فروالکتریک فروالکتریک نامیده می شود. در میان آنها، سرامیک های تیتانات باریم (BaTiO3)، سدیم پتاسیم تارتارات تک کریستال (NaKC4H4O6⋅H2O) و مانند آن برجسته ترین هستند. فروالکتریک ها پسماند در طول فرآیند رسوب الکتریکی نشان می دهند. حلقه پسماند نشان می دهد که پلاریزاسیون بین جسم فروالکتریک و میدان الکتریکی اعمال شده غیرخطی است و قطبش معکوس می شود که میدان الکتریکی خارجی معکوس شود. وارونگی پلاریزاسیون نتیجه وارونگی دامنه است، بنابراین حلقه هیسترزیس وجود دامنه ها را در فروالکتریک نشان می دهد. به اصطلاح دامنه ها، نواحی کوچکی هستند که جهت قطبش خود به خود در فروالکتریک ها یکنواخت هستند و حوزه ها. مرز بین آنها دیوار دامنه نامیده می شود. بلورهای فروالکتریک از محصولات سرامیکی پیزوالکتریک معمولاً چند دامنه هستند، قطبش خود به خود در هر حوزه یک جهت دارد و قطبش خود به خود در حوزه های مختلف قوی است.

برای فروالکتریک های پلی کریستالی، هیچ نظمی بین جهت گیری های نسبی پلاریزاسیون خود به خودی در حوزه های مختلف برای کل پلی کریستال به دلیل دلبخواهی کامل جهت گیری محورهای کریستالی بین دانه ها وجود ندارد.
فروالکتریک ها عموماً خود به خود حوزه های منفرد را تشکیل نمی دهند، اما کریستال های چند دامنه ای را می توان تحت یک میدان الکتریکی خارجی قوی تک دامنه ای کرد. تحت عمل یک میدان الکتریکی قوی خارجی، حجم دامنه قطبش خود به خود در کریستال چند دامنه ای موازی یا نزدیک به جهت میدان خارجی به سرعت به دلیل تشکیل هسته های دامنه جدید و حرکت دیواره های دامنه گسترش می یابد و حجم دامنه در جهات دیگر به سرعت کاهش می یابد. کوچک ناپدید می شود، که کل کریستال را به یک دامنه تبدیل می کند. تحت عمل میدان الکتریکی خارجی، فرآیند دینامیکی هسته دامنه جدید و حرکت دیواره دامنه، فرآیند برگشت دامنه نامیده می شود. این معکوس دارای برخی ویژگی های پسماند است، بنابراین فروالکتریک حلقه پسماند فوق الذکر را نشان می دهد.

در نظر گرفتن یک تک کریستال پیزو این فرض است که جهت قطبش خود به خودی فقط دو احتمال دارد. مثبت و منفی در امتداد یک محور کریستالی مشخص است. جهت میدان الکتریکی خارجی موازی با محور قطبش است. وقتی میدان الکتریکی خارجی صفر باشد، قطبش حوزه های مجاور در کریستال مخالف است و گشتاور الکتریکی کل کریستال صفر است. هنگامی که میدان الکتریکی خارجی به تدریج افزایش می یابد، حجم دامنه جهت قطبش خود به خودی مخالف جهت میدان الکتریکی به تدریج به دلیل وارونگی حوزه کاهش می یابد و آن حوزه ها همان جهت را دارند که میدان الکتریکی به تدریج گسترش می یابد، به طوری که کریستال در جهت میدان خارجی قرار می گیرد. شدت با افزایش میدان الکتریکی افزایش می یابد. وقتی میدان الکتریکی از عنصر دیسک پیزوالکتریک به اندازه ای افزایش می یابد که تمام حوزه های معکوس در کریستال را به میدان خارجی معکوس کند، کریستال به یک حوزه تبدیل می شود، قطبش کریستال به اشباع می رسد و سپس میدان الکتریکی افزایش می یابد. پلاریزاسیون به صورت خطی با میدان الکتریکی افزایش می یابد (همانند قطبش یک دی الکتریک معمولی) و به حداکثر مقدار Pmax می رسد که تابعی از میدان الکتریکی با بالاترین قطبش است. 

هنگامی که بخش خطی به میدان الکتریکی صفر برون یابی می شود، Ps قطع شده در محور عمودی، قطبش اشباع نامیده می شود، که در واقع قطبش خود به خودی هر حوزه است. هنگامی که میدان الکتریکی از C شروع به کاهش می کند، قطبش به تدریج در امتداد منحنی CB کاهش می یابد. وقتی میدان الکتریکی از جزء سرامیکی پیزوالکتریک به صفر کاهش می یابد، قطبش به مقدار معینی Pr کاهش می یابد که به آن قطبش باقی مانده فروالکتریک می گویند. هنگامی که میدان الکتریکی تغییر جهت می دهد و در جهت منفی به Ec افزایش می یابد، قطبش به صفر کاهش می یابد، میدان الکتریکی معکوس به افزایش خود ادامه می دهد و پلاریزاسیون معکوس می شود. Ec قدرت میدان اجباری فروالکتریک نامیده می شود. با ادامه افزایش میدان الکتریکی معکوس، پلاریزاسیون همچنان در جهت گرادیان منفی افزایش می‌یابد و به یک مقدار اشباع (-Pr) در جهت منفی می‌رسد. مبدل پیزوالکتریک اولتراسونیک به یک کریستال تک دامنه تبدیل می شود که دارای قطبش منفی است. اگر میدان الکتریکی به طور مداوم از یک مقدار منفی بالا به یک مقدار مثبت بالا تغییر کند، دامنه مثبت شروع به تشکیل و رشد می کند تا زمانی که کل کریستال دوباره به یک کریستال منفرد با قطبش رو به جلو تبدیل شود. در طی این فرآیند، پلاریزاسیون به نقطه C در امتداد بخش FGH خط بازگشت باز می گردد. بنابراین، تحت عمل یک میدان الکتریکی متناوب بزرگ، میدان الکتریکی یک هفته تغییر می کند و فرآیند فوق یک بار تکرار می شود و حلقه پسماند نشان داده شده است. منطقه محصور شده توسط خط برگشت انرژی مورد نیاز است