بررسی ویژگی های پلاریزاسیون سرامیک های پیزوالکتریک

به عنوان یک ماده جدید که در سال های اخیر ظهور کرده است، سرامیک های پیزوالکتریک به طور گسترده در ساخت محصولات الکترونیکی و تحقیقات آزمایشگاهی استفاده می شود. تغییر ثابت دی الکتریک سرامیک های پیزوالکتریک ارتباط نزدیکی با ویژگی های ساختاری و حالت پلاریزاسیون آن دارد. بنابراین مطالعه ویژگی‌های حالت پلاریزاسیون آن مرجع بالایی برای درک عمیق و تحقیق در مورد مواد جدید مانند سرامیک‌های پیزوالکتریک دارد. حالت پلاریزاسیون سرامیک های پیزوالکتریک با آزمایشات مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و حالت پلاریزاسیون سرامیک های پیزوالکتریک تحت شرایط میدان الکتریکی متناوب خارجی پیش بینی شد. طیف دی الکتریک توسط یک طیف سنج الکتریکی اندازه گیری شد و پیش بینی قبلی توسط طیف دی الکتریک اندازه گیری تایید و تجزیه و تحلیل شد.

پلاریزاسیون و پارامترهای دی الکتریک کریستال های سرامیک پیزوالکتریک عمدتاً کریستال های دی الکتریک هستند که به عنوان دی الکتریک نیز شناخته می شوند. تحت عمل میدان الکتریکی خارجی، دی الکتریک ها به صورت القایی به میدان الکتریکی خارجی واکنش نشان می دهند. مقدار مشخصی بار در بدن یا روی سطح ظاهر می شود. این پدیده را پلاریزاسیون می نامند. الکترودییزاسیون با بردار پلاریزاسیون ماکروسکوپی P نشان داده می شود که برابر با مجموع بردار گشتاورهای دوقطبی الکتریکی در واحد حجم است. اگر تعداد مساوی بارهایی داشته باشد که در اثر میدان الکتریکی فاصله ای باقی می ماند که نشان دهنده گشتاور دوقطبی الکتریکی سیستم بار است و جهت l توسط بار منفی به بار مثبت هدایت می شود. ماهیت پلاریزاسیون دی الکتریک در میدان الکتریکی خارجی این است که بار دی الکتریک را تشکیل می دهد که تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی دارای جابجایی ماکروسکوپی است. بار مثبت در طول خط برق جابه جا می شود و بار منفی خط برق معکوس را جابجا می کند و باعث می شود دی الکتریک یک گشتاور دوقطبی ماکرو الکتریک ایجاد کند. در محدوده معینی، قطبش P متناسب با میدان الکتریکی خارجی EP = ε0xE است و x را نرخ پلاریزاسیون می نامند. از تجزیه و تحلیل مکانیسم میکروسکوپی، سه راه برای ایجاد پلاریزاسیون دی الکتریک وجود دارد، یعنی قطبش جابجایی الکترون برای پلاریزاسیون جابجایی و قطبش جهت گیری مولکول های قطبی استفاده می شود. صرف نظر از اینکه قطبش واقعاً در حال رخ دادن است، نتیجه را می توان به تشکیل یک دوقطبی الکتریکی در محیط نسبت داد، که می توان دو قطبی را با ممان الکتریکی مشخص کرد. اندازه μ نه تنها توسط میدان الکتریکی ماکروسکوپی E، بلکه توسط میدان الکتریکی تولید شده توسط مولکول های مجاور نیز تعیین می شود. مجموع این دو میدان موثر Ei نامیده می شود. در فرمول μ = αEi، α به قطبش پذیری یک مولکول یا یک اتم گفته می شود و یک کمیت فیزیکی میکروسکوپی است که ویژگی های قطبش یک مولکول را توصیف می کند.

1.1 قطبش جابجایی الکترون

تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی، ابر الکترونی موجود در اتم‌ها و یون‌های تشکیل‌دهنده دی الکتریک دچار اعوجاج می‌شود، که باعث می‌شود ابر الکترونی نسبت به هسته حرکت کند و در نتیجه یک گشتاور دوقطبی الکتریکی ایجاد شود. به این پلاریزاسیون، قطبش جابجایی الکترون ها می گویند. پلاریزاسیون جابجایی الکترون نوعی پلاریزاسیون است که همه دی الکتریک ها دارند. قطبش جابجایی یک الکترون نشان می دهد که به دلیل تأثیر میدان الکتریکی خارجی، الکترون احتمال خاصی برای جذب انرژی و انتقال بین سطوح انرژی مربوطه خواهد داشت. از آنجایی که الکترون‌های بیرونی به اتم‌ها محدود می‌شوند، جابجایی الکترونی اتم‌ها عمدتاً از الکترون‌های ظرفیتی گرفته می‌شود. قطبش پذیری جابجایی الکترون با αe نشان داده می شود و فرض بر این است که مولکول مورد نظر یک کره است که با بار نقطه ای محاسبه می شود. مدل کروی پیزو سرامیکی و مدل مدار دایره ای.

پلاریزاسیون جابجایی یونی

قطبش جهت گیری گشتاور دوقطبی الکتریکی ذاتی

اگر مولکول دی الکتریک را تشکیل می دهد که یک مولکول قطبی است که مرکز بار مثبت آن با مرکز بار منفی منطبق نیست، یک گشتاور دوقطبی الکتریکی ذاتی دارد. در غیاب میدان الکتریکی خارجی، از گشتاور دوقطبی الکتریکی مولکول‌های دی الکتریک حرکت حرارتی جزء سرامیکی پیزوالکتریک از نظر فضایی بی نظم است، احتمال اشاره در همه جهات یکسان است و گشتاورهای دوقطبی الکتریکی مولکولی یکدیگر را خنثی می کنند. بنابراین، دی الکتریک به عنوان یک کل هیچ گشتاور دوقطبی الکتریکی ندارد. هنگامی که میدان الکتریکی خارجی اعمال می شود، بارهای مثبت و منفی دوقطبی الکتریکی مولکولی تحت تأثیر نیروی میدان الکتریکی قرار می گیرند و تمایل به سمت جهت میدان الکتریکی خارجی وجود دارد یا باید در حالت پایدار نگه داشته شوند، به طوری که انرژی سیستم به حداقل برسد و لازم است به جهت میدان الکتریکی خارجی اشاره شود. یا تقدم حول یک میدان الکتریکی خارجی. بر اساس تئوری آماری، تعداد ذرات در انرژی E با e=-EkT متناسب است. بر این اساس، قطبش پذیری قطبش جهت گیری مولکول دی الکتریک را می توان محاسبه کرد. Dd=μ2. در فرمول 3kT، μ گشتاور دوقطبی الکتریکی ذاتی مولکولی، k ثابت بولتزمن، و T دما است.

قطبش پذیری α کل مولکول را می توان به عنوان مجموع قطبش پذیری مکانیسم های مختلف α = αe + αa + αd در نظر گرفت. اگر تعداد مولکول ها در واحد حجم N باشد، بردار پلاریزاسیون ماکروسکوپی P را می توان با قطبش پذیری مولکولی میکروسکوپی α مرتبط کرد. P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi، بنابراین میدان الکتریکی موثر Ei که توسط هر قطبش مولکولی در محیط ثابت دی الکتریک درک می شود، با میدان الکتریکی متوسط ​​ماکروسکوپی E متفاوت است. برای یک مولکول، نه تنها تحت تأثیر E است، بلکه تحت تأثیر میدان الکتریکی ایجاد شده توسط قطبش های دیگر نیز قرار می گیرد. پیش بینی می شود که مدل مولکولی مورد بررسی یک کره است و شعاع کره بسیار بزرگتر از فاصله اتم ها است. تأثیر قطبش مولکولی در خارج، مبدل پیزوالکتریک اولتراسونیک را می توان به عنوان یک محیط پلاریزه پیوسته به روش ماکروسکوپی در نظر گرفت. پاسخ درجه به تغییر میدان خارجی در طول قطبش محیط با زمان آرامش τ نشان داده می شود. معنی فیزیکی τ عبارت است از افزودن میدان الکتریکی ثابت به دی الکتریک، حذف میدان الکتریکی پس از تثبیت قطبش و گذر از زمان τ، قطبش P . مجموع بردارهای گشتاور دوقطبی الکتریکی در حجم به 1/e از pm اصلی کاهش می یابد، یعنی P=Pmetτ. از آنجایی که در فرآیند پلاریزاسیون آرامش وجود دارد، تغییرات D (بردار جابجایی)، P و E در فاز نیستند. D، P از فاز E عقب خواهد ماند. میدان الکتریکی متناوب سینوسی با یک عدد مختلط نشان داده می شود. به منظور اندازه گیری طیف دی الکتریک سرامیک پیزوالکتریک، در این آزمایش یک زنگ از سرامیک پیزوالکتریک بین دو ورق الکترود دایره ای قرار می گیرد و فرکانس زاویه ای به ورق الکترود و ولتاژ سینوسی ω اضافه می شود.