Feroelektricitet piezoelektričnih keramičkih kristala

Polarizacija nekih dielektrika je vrlo posebna. U određenom temperaturnom području njihove dielektrične konstante nisu konstantne, već variraju s jakošću polja, a nakon uklanjanja vanjskog električnog polja ti dielektrici nisu neutralni. Postoji zaostala polarizacija. Da bismo bili analogni činjenici da feromagnetski materijali mogu ostati magnetizirani, ovo svojstvo piezo keramički pretvarač često se naziva feroelektričnost. Feroelektrični dielektrik naziva se feroelektrik. Među njima, najistaknutiji su barij-titanat keramika (BaTiO3), monokristal natrij-kalij-tartrat (NaKC4H4O6⋅H2O) i slično. Feroelektrici će pokazivati ​​histerezu tijekom procesa elektrotaloženja. Petlja histereze pokazuje da je polarizacija između feroelektričnog tijela i primijenjenog električnog polja nelinearna, a polarizacija je obrnuta kako je vanjsko električno polje obrnuto. Polarizacijska inverzija rezultat je inverzije domene, tako da petlja histereze ukazuje na prisutnost domena u feroelektriku. Takozvane domene su mala područja u kojima su spontani smjerovi polarizacije u feroelektricima uniformni, a domene. Granica između njih naziva se domenski zid. Feroelektrični kristali od piezoelektrični keramički proizvodi obično su s više domena, spontana polarizacija u svakoj domeni ima isti smjer, a spontana polarizacija u različitim domenama je jaka.

Za polikristalne feroelektrike ne postoji pravilnost između relativnih orijentacija spontane polarizacije u različitim domenama za cijeli polikristal zbog potpune proizvoljnosti orijentacije kristalnih osi između zrna.
Feroelektrici općenito ne formiraju spontano pojedinačne domene, ali višedomenski kristali mogu biti monodomainizirani pod jakim vanjskim električnim poljem. Pod djelovanjem jakog vanjskog električnog polja, volumen domene spontane polarizacije u višedomenskom kristalu paralelnom ili blizu smjera vanjskog polja će se brzo proširiti zbog stvaranja novih jezgri domene i pomicanja stijenki domene, a volumen domene u drugim smjerovima će se brzo smanjivati. Mali nestaje, što cijeli kristal pretvara u jednu domenu. Pod djelovanjem vanjskog električnog polja, dinamički proces novog gibanja jezgre domene i stijenke domene naziva se proces reverzije domene. Ovo preokretanje ima neke karakteristike histereze, tako da feroelektrik pokazuje gore spomenutu petlju histereze.

Razmatranje pojedinačnog piezo kristala podrazumijeva da orijentacija spontane polarizacije ima samo dvije mogućnosti: pozitivna je i negativna duž određene kristalne osi; smjer vanjskog električnog polja je paralelan s osi polarizacije. Kada je vanjsko električno polje jednako nuli, polarizacija susjednih domena u kristalu je suprotna, a ukupni električni moment kristala jednak je nuli. Kada se vanjsko električno polje postupno povećava, volumen domene spontanog smjera polarizacije suprotnog od smjera električnog polja postupno će se smanjivati ​​zbog inverzije domene, a te domene imaju isti smjer kao i električno polje će se postupno širiti, tako da je kristal u smjeru vanjskog polja. Intenzitet raste s povećanjem električnog polja. Kada električno polje od element piezoelektričnog diska povećava se dovoljno da preokrene sve reverzne domene u kristalu u vanjsko polje, kristal postaje jedna domena, polarizacija kristala dostiže zasićenje, a zatim se električno polje povećava. Polarizacija će rasti linearno s električnim poljem (isto kao polarizacija tipičnog dielektrika) i doseći maksimalnu vrijednost Pmax, koja je funkcija najveće polarizacije električnog polja. 

Kada se linearni dio ekstrapolira na nulto električno polje, rezultirajući presjek Ps na okomitoj osi naziva se zasićena polarizacija, što je zapravo spontana polarizacija svake domene. Kada električno polje počne opadati od C, polarizacija će se postupno smanjivati ​​duž CB krivulje. Kada električno polje od piezoelektrična keramička komponenta svedena na nulu, polarizacija se smanjuje na određenu vrijednost Pr, koja se naziva rezidualna polarizacija feroelektrika. Kada električno polje promijeni smjer i poraste do Ec u negativnom smjeru, polarizacija se smanjuje na nulu, obrnuto električno polje nastavlja rasti, a polarizacija se obrće. Ec se naziva jakost koercitivnog polja feroelektrika. Kako se reverzno električno polje nastavlja povećavati, polarizacija nastavlja rasti u smjeru negativnog gradijenta i doseže vrijednost zasićenja (-Pr) u negativnom smjeru, a ultrazvučni piezoelektrični pretvarač postaje kristal s jednom domenom koji ima negativnu polarizaciju. Ako se električno polje kontinuirano mijenja od visoke negativne vrijednosti do visoke pozitivne vrijednosti, pozitivna domena počinje se formirati i ponovno rasti sve dok cijeli kristal ponovno ne postane kristal s jednom domenom s prednjom polarizacijom. Tijekom ovog procesa, polarizacija se vraća u točku C duž FGH dijela povratne linije. Dakle, pod djelovanjem velikog izmjeničnog električnog polja, električno polje se mijenja za jedan tjedan, a gornji proces se ponavlja jednom, pokazujući prikazanu petlju histereze. Površina koju zatvara povratni vod je energija potrebna za