Tutkimus pietsosähköisen keramiikan polarisaatioominaisuuksista

Uutena materiaalina, joka on ilmaantunut viime vuosina, pietsosähköistä keramiikkaa käytetään laajalti elektroniikkatuotteiden valmistuksessa ja laboratoriotutkimuksessa. Pietsosähköisen keramiikan dielektrisyysvakion vaihtelu liittyy läheisesti sen rakenteellisiin ominaisuuksiin ja polarisaatiotapaan. Siksi sen polarisaatiomoodin ominaisuuksien tutkiminen on korkea vertailukohta uusien materiaalien, kuten pietsosähköisen keramiikan, syvempään ymmärtämiseen ja tutkimukseen. Pietsosähköisen keramiikan polarisaatiotapa analysoitiin kokein ja pietsosähköisen keramiikan polarisaatiomuoto ennustettiin ulkoisen vaihtuvan sähkökentän olosuhteissa. Dielektrinen spektri mitattiin sähköspektrometrillä ja aikaisempi ennuste varmistettiin mittausdielektrisellä spektrillä ja analysoitiin.

Polarisaatio ja dielektriset parametrit pietsosähköiset keraamiset kiteet ovat enimmäkseen dielektrisiä kiteitä, jotka tunnetaan myös dielektrisinä. Ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta eristeet reagoivat ulkoiseen sähkökenttään induktiivisesti. Tietty määrä varausta ilmestyy kehoon tai pinnalle. Tätä ilmiötä kutsutaan polarisaatioksi. Elektrodeisaatiota edustaa makroskooppinen polarisaatiovektori P, joka on yhtä suuri kuin sähköisten dipolimomenttien vektorisumma tilavuusyksikköä kohti. Jos yhtä suuri määrä varauksia jättää etäisyyden sähkökentän vaikutuksesta, joka edustaa varausjärjestelmän sähköistä dipolimomenttia, ja l:n suunta on negatiivisen varauksen ohjaama positiiviseen varaukseen. Eristeen polarisaation olemus ulkoisessa sähkökentässä on se, että varaus muodostaa dielektrin, jolla on makroskooppinen siirtymä ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Positiivinen varaus siirtyy voimalinjaa pitkin ja negatiivinen varaus siirtää käänteistä voimalinjaa, mikä saa dielektrisen muodostamaan makrosähköisen dipolimomentin. Tietyllä alueella polarisaatio P on verrannollinen ulkoiseen sähkökenttään EP = ε0xE, ja x:tä kutsutaan polarisaationopeudeksi. Mikroskooppisen mekanismianalyysin perusteella on olemassa kolme tapaa tuottaa dielektristä polarisaatiota, nimittäin elektronien syrjäytyspolarisaatiota käytetään polaaristen molekyylien siirtymäpolarisaatioon ja orientaatiopolarisaatioon. Riippumatta siitä, mitä polarisaatiota todellisuudessa tapahtuu, tuloksen voidaan katsoa johtuvan sähköisen dipolin muodostumisesta väliaineessa, jota voidaan luonnehtia molekyylin sähköisellä dipolimomentilla μ. μ:n koon määrää makroskooppisen sähkökentän E lisäksi myös viereisten molekyylien tuottama sähkökenttä. Näiden kahden summaa kutsutaan teholliseksi kentällä Ei. Kaavassa μ = αEi α:ta kutsutaan molekyylin tai atomin polarisoituvuudeksi, ja se on mikroskooppinen fysikaalinen suure, joka kuvaa molekyylin polarisaatio-ominaisuuksia.

1.1 Elektronin siirtymäpolarisaatio

Ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta dielektrisen atomien ja ionien elektronipilvi vääristyy, mikä saa elektronipilven liikkumaan suhteessa ytimeen, jolloin syntyy sähköinen dipolimomentti. Tätä polarisaatiota kutsutaan elektronien siirtymäpolarisaatioksi. Elektronien siirtymäpolarisaatio on polarisaation muoto, joka on kaikilla dielektreillä. Elektronin siirtymäpolarisaatio osoittaa, että ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta elektronilla on tietty todennäköisyys absorboida energiaa ja siirtyä vastaavien energiatasojen välillä. Koska ulommat elektronit ovat heikosti sidottu atomeihin, atomien elektronien siirtymä johtuu pääasiassa valenssielektroneista. Elektronin siirtymäpolarisoituvuutta edustaa αe ja oletetaan, että tarkasteltavana oleva molekyyli on pallo, joka lasketaan pistevarauksella Pietsokeraaminen pallomalli ja pyöreä ratamalli.

Ionisiirtymäpolarisaatio

Sisäisen sähköisen dipolimomentin orientaatiopolarisaatio

Jos molekyyli muodostaa dielektrisen aineen, joka on polaarinen molekyyli, jonka positiivinen varauskeskus ei ole sama kuin negatiivisen varauksen keskusta, sillä on luontainen sähköinen dipolimomentti. Ulkoisen sähkökentän puuttuessa, koska dielektristen molekyylien lämpöliikkeen sähköinen dipolimomentti pietsosähköinen keraaminen komponentti on avaruudellisesti epäjärjestynyt, kaikkiin suuntiin osoittamisen todennäköisyys on sama ja molekyylin sähköiset dipolimomentit kumoavat toisensa. Siksi dielektrillä kokonaisuutena ei ole sähköistä dipolimomenttia. Ulkoista sähkökenttää käytettäessä sähkökenttävoima vaikuttaa molekyylin sähködipolin positiivisiin ja negatiivisiin varauksiin ja on taipumus osoittaa ulkoisen sähkökentän suuntaan tai ne on pidettävä stabiilissa tilassa, jotta järjestelmän energia minimoituu, ja on tarpeen osoittaa ulkoisen sähkökentän suuntaan. Tai precessio ulkoisen sähkökentän ympärillä. Tilastollisen teorian mukaan hiukkasten lukumäärä energialla E on verrannollinen e=-EkT:hen. Tämän mukaan voidaan laskea dielektrisen molekyylin orientaatiopolarisaation polarisoituvuusαd. Dd=μ2 .3kT:n kaavassa μ on molekyylin sisäinen sähköinen dipolimomentti, k on Boltzmannin vakio ja T on lämpötila.

Molekyylin kokonaispolarisoituvuutta α voidaan pitää erilaisten mekanismien polarisoituvuuksien summana α = αe + αa + αd. Jos molekyylien lukumäärä tilavuusyksikköä kohti on N, makroskooppinen polarisaatiovektori P voidaan korreloida mikroskooppisen molekyylin polarisoituvuuden α kanssa. P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi, joten kunkin molekyylipolarisaation havaitsema tehollinen sähkökenttä Ei dielektrisyysvakion väliaineessa eroaa makroskooppisesta keskimääräisestä sähkökentästä E. Molekyyliin ei vaikuta ainoastaan ​​E, vaan myös muiden polarisaatioiden synnyttämä sähkökenttä. Tarkastelun molekyylimallin oletetaan olevan pallo ja pallon säde on paljon suurempi kuin atomien välinen etäisyys. Molekyylipolarisaation vaikutus ulkopuolella, Pietsosähköistä ultraäänianturia voidaan käsitellä jatkuvana polarisoituneena väliaineena makroskooppisella tavalla. Astevasteet ulkoisen kentän muutokseen väliaineen polarisaation aikana esitetään rentoutumisajalla τ. τ:n fysikaalinen merkitys on vakion sähkökentän lisääminen dielektriseen, sähkökentän poistaminen polarisaation stabiloitumisen jälkeen ja ohittamalla aika τ, polarisaatio P . Tilavuuden sähköisten dipolimomenttivektorien summa pienenee 1/e:ksi alkuperäisestä pm:stä, eli P=Pmetτ. Koska polarisaatioprosessissa tapahtuu relaksaatiota, D (siirtymävektori), P- ja E-muutokset eivät ole samassa vaiheessa. D, P jää jäljessä E:n vaiheesta. Sinimuotoinen vaihtuva sähkökenttä esitetään kompleksiluvulla. Pietsosähköisen keramiikan dielektrisen spektrin mittaamiseksi tässä kokeessa pietsosähköisestä keramiikasta valmistettu summeri asetetaan kahden pyöreän elektrodilevyn väliin ja kulmataajuus lisätään elektrodilevyyn ja sinimuotoinen jännite ω.