پلاریزاسیون پیزوالکتریک و حلقه هیسترزیس

پلاریزاسیون سرامیک های پیزوالکتریک

 

قبل از مواد سرامیکی پیزوالکتریک قطبی نشده اند، الکترون های آزاد به صورت بی نظم مرتب شده اند. پس از درمان پلاریزاسیون، قطبش پسماند در امتداد جهت قطبش ایجاد می شود تا به یک پلی کریستال ناهمسانگرد تبدیل شود، الکترون های آزاد تمایل به سازگاری دارند و پیزوالکتریک به شدت افزایش می یابد. همانطور که در شکل 1 و شکل 2 نشان داده شده است، مواد سرامیکی پیزوالکتریک را می توان به اشکال و جهت قطبش تبدیل کرد. را مواد سرامیکی پیزوالکتریک قبل و بعد از پلاریزاسیون دارای ثابت دی الکتریک ε و ثابت پیزوالکتریک d هستند.

ثابت دی الکتریک را قبل از پلاریزاسیون تنظیم کنید: ε 11 = ε 22 = ε 33. اگر s در جهت 3 قطبی شود، دو وجه الکترود دیگر بر جهت قطبش عمود هستند. ثابت دی الکتریک بعد از قطبش: ε 11 = ε 22 ≠ ε 33، و مقدار ε 33 بسیار بزرگتر از ε است11.

ثابت پیزوالکتریک سرامیک های پیزوالکتریک نیز ناهمسانگرد است و مقدار ثابت پیزوالکتریک d در جهات مختلف نیز متفاوت است. در میان آنها، مقدار در جهت 3 بزرگ است، یعنی d 33 >>d 31 و d 32 . اگر با گالوانومتر اندازه گیری شود، فقط جریان در d33 وجود دارد و در دو جهت دیگر جریانی ایجاد نمی شود. پلاریزاسیون سرامیک های پیزوالکتریک بسیار شبیه مغناطش آهنرباها است و قدرت میدان مغناطیسی قبل و بعد از مغناطیس شدن بسیار تغییر می کند.

 

مدار هیسترزیس سرامیک های پیزوالکتریک

کره سرامیک پیزوالکتریک چند کریستالی است و وقتی دمای آن بالاتر از دمای کوری Tc باشد، یک شبکه مکعبی است. وقتی دمای آن کمتر از دمای کوری Tc باشد، یک شبکه چهارضلعی است و دارای پیزوالکتریک است. پدیده ای که ماده پیزوالکتریک می تواند ساختار داخلی ماده را در دمای Tc تغییر دهد، گذار فاز حالت جامد و Tc را دمای گذار فاز می نامند که به دمای کوری نیز معروف است. مواد پیزوالکتریک مختلف دمای کوری متفاوتی دارند.

 

به عنوان مثال، دمای کوری Tc BaTiO3 120 درجه سانتیگراد و PbTiO3 490 درجه سانتیگراد است. هنگامی که دما به Tc افزایش می یابد، سه طول ضلع سلول واحد مکعبی برابر است، یعنی: a = b = c، در این زمان مرکز بار در مرکز مکعب قرار دارد، و پیزوالکتریک پیزوالکتریک دارای پیزوالکتریک است. هنگامی که دما کمتر از Tc است، طول سه ضلع سلول واحد چهار ضلعی برابر نیست، یعنی: a = b.

فروالکتریک زمانی ظاهر می شود که سرامیک های پیزوالکتریک قطبی شوند. پس از قطبش دوم، منحنی حلقه تشکیل می شود، همانطور که در شکل 3 [1] نشان داده شده است.

در شکل، Ps قطبش خود به خودی است. Pr قطبش باقیمانده است. Ec قدرت میدان اجباری است  .

از منحنی حلقه پسماند پس از پلاریزاسیون می توان دریافت که بسیار شبیه به منحنی حلقه پسماند است، بنابراین به سرامیک های پیزوالکتریک فروالکتریک نیز می گویند. پس از یک قطبش، یک قطبش باقیمانده Pr وجود دارد که هر بار پس از آن در امتداد این منحنی تغییر می کند. مواد پیزوالکتریک مختلف دارای حلقه های هیسترزیس متفاوتی هستند.

 

یک میدان الکتریکی متناوب به بدنه سرامیکی پیزوالکتریک اعمال می شود و منحنی پسماند را می توان مستقیماً از طریق یک اسیلوسکوپ مشاهده کرد. وقتی میدان الکتریکی به شدت معینی افزایش می یابد، شدت قطبش به حد اشباع می رسد. در میان آنها، مقطع BC یک افزایش خطی است، Ps شدت قطبش خود به خود، زمانی که میدان الکتریکی صفر است، شدت قطبش برابر با صفر نیست و Pr شدت قطبش پسماند است. وقتی میدان الکتریکی معکوس به Ec افزایش یابد، قطبش صفر است. از آنجایی که نقطه Ec می تواند شدت پلاریزاسیون سرامیک های پیزوالکتریک را صفر کند، Ec قدرت میدان اجباری نامیده می شود. هنگامی که میدان الکتریکی در جهت مخالف افزایش می یابد، شدت قطبش نیز در جهت مخالف افزایش می یابد. هنگامی که شدت قطبش معکوس به اشباع می رسد و سپس میدان الکتریکی معکوس را کاهش می دهد، شدت قطبش در امتداد خط منحنی HFC تغییر می کند.

 

فرآیند پلاریزاسیون یک فرآیند بسیار پیچیده است. نه تنها باید در حین پلاریزاسیون به میدان الکتریکی بالا نیاز باشد، بلکه ضخامت های مختلف به زمان های متفاوتی نیاز دارند و بهترین اثر پلاریزاسیون باید در دمای نسبتاً بالا حاصل شود. را مواد سرامیکی پیزوالکتریک قطبی شده در دمای بالا خاصی اثر پلاریزاسیون را از دست می دهند و مواد پیزوالکتریک مختلف دماهای خرابی متفاوتی دارند که باید هنگام انتخاب مواد سرامیکی پیزوالکتریک به آن توجه کرد. عملکرد پلاریزاسیون سرامیک های پیزوالکتریک، تفاوت عملکرد بین مواد سرامیکی پیزوالکتریک قبل و بعد از پلاریزاسیون بسیار زیاد است.