Studija o polarizacijskim karakteristikama piezoelektrične keramike

Kao novi materijal koji se pojavio posljednjih godina, piezoelektrična keramika naširoko se koristi u proizvodnji elektroničkih proizvoda i laboratorijskim istraživanjima. Varijacija dielektrične konstante piezoelektrične keramike usko je povezana s njezinim strukturnim karakteristikama i načinom polarizacije. Stoga proučavanje karakteristika njegovog polarizacijskog načina ima visoku referencu za dublje razumijevanje i istraživanje novih materijala kao što je piezoelektrična keramika. Eksperimentalno je analiziran polarizacijski način piezoelektrične keramike i predviđen je polarizacijski način piezoelektrične keramike u uvjetima vanjskog izmjeničnog električnog polja. Dielektrični spektar mjeren je električnim spektrometrom, a prethodna predviđanja verificirana su mjernim dielektričnim spektrom i analizirana.

Polarizacija i dielektrični parametri piezoelektrični keramički kristali uglavnom su dielektrični kristali, također poznati kao dielektrici. Pod djelovanjem vanjskog električnog polja dielektrici će na vanjsko električno polje reagirati induktivno. Određena količina naboja pojavljuje se u tijelu ili na površini. Ova pojava se naziva polarizacija. Elektrodeizacija je predstavljena makroskopskim vektorom polarizacije P, koji je jednak vektorskom zbroju električnih dipolnih momenata po jedinici volumena. Ako je jednak broj naboja koji ostavlja udaljenost pod djelovanjem električnog polja, što predstavlja električni dipolni moment sustava naboja, a smjer l usmjeren je od negativnog naboja prema pozitivnom naboju. Bit polarizacije dielektrika u vanjskom električnom polju je u tome što naboj čini dielektrik koji ima makroskopski pomak pod djelovanjem vanjskog električnog polja. Pozitivan naboj će se pomaknuti duž strujne linije, a negativni naboj će pomaknuti obrnutu strujnu liniju, što uzrokuje da dielektrik generira makroelektrični dipolni moment. Unutar određenog raspona polarizacija P proporcionalna je vanjskom električnom polju EP = ε0xE, a x se naziva brzinom polarizacije. Iz analize mikroskopskog mehanizma, postoje tri načina za generiranje dielektrične polarizacije, naime polarizacija pomakom elektrona koristi se za polarizaciju pomaka i orijentacijsku polarizaciju polarnih molekula. Bez obzira na to što se polarizacija stvarno događa, rezultat se može pripisati formiranju električnog dipola u mediju, koji se može karakterizirati električnim dipolnim momentom μ molekule ili atoma. Veličina μ određena je ne samo makroskopskim električnim poljem E, već i električnim poljem koje stvaraju susjedne molekule. Zbroj ta dva naziva se efektivno polje Ei. U formuli μ = αEi, α se naziva polarizabilnost molekule ili atoma, a to je mikroskopska fizikalna veličina koja opisuje karakteristike polarizacije molekule.

1.1 Polarizacija pomaka elektrona

Pod djelovanjem vanjskog električnog polja, elektronski oblak u atomima i ionima koji čine dielektrik bit će iskrivljen, što uzrokuje pomicanje elektronskog oblaka u odnosu na jezgru, stvarajući tako električni dipolni moment. Ova polarizacija se naziva polarizacija pomaka elektrona. Polarizacija pomakom elektrona je oblik polarizacije koji imaju svi dielektrici. Polarizacija pomaka elektrona pokazuje da će zbog utjecaja vanjskog električnog polja elektron imati određenu vjerojatnost apsorbiranja energije i prijelaza između odgovarajućih energetskih razina. Budući da su vanjski elektroni slabo vezani za atome, pomak elektrona atoma uglavnom se izvodi iz valentnih elektrona. Polarizabilnost pomaka elektrona predstavlja αe, a pretpostavlja se da je molekula koja se razmatra kugla, što se izračunava točkastim nabojem sferni piezo keramički model i model kružne orbite.

Polarizacija pomaka iona

Orijentacijska polarizacija intrinzičnog električnog dipolnog momenta

Ako molekula čini dielektrik koji je polarna molekula, čije središte pozitivnog naboja ne koincidira sa središtem negativnog naboja, ima inherentni električni dipolni moment. U nedostatku vanjskog električnog polja, budući da je električni dipolni moment toplinskog gibanja dielektričnih molekula piezoelektrična keramička komponenta je prostorno nesređena, vjerojatnost usmjeravanja u svim smjerovima je ista, a molekularni električni dipolni momenti se međusobno poništavaju. Stoga dielektrik kao cjelina nema električni dipolni moment. Kada se primjenjuje vanjsko električno polje, pozitivni i negativni naboji molekularnog električnog dipola su pod utjecajem sile električnog polja, te postoji tendencija usmjeravanja prema smjeru vanjskog električnog polja, ili se moraju održavati u stabilnom stanju, tako da je energija sustava minimizirana, a potrebno je usmjeriti smjer vanjskog električnog polja. Ili precesija oko vanjskog električnog polja. Prema statističkoj teoriji, broj čestica pri energiji E proporcionalan je e=-EkT. Prema tome se može izračunati polarizabilnost αd orijentacijske polarizacije molekule dielektrika. Dd=μ2. U formuli 3kT, μ je molekularni intrinzični električni dipolni moment, k je Boltzmannova konstanta, a T je temperatura.

Ukupna polarizabilnost α molekule može se smatrati zbrojem polarizabilnosti različitih mehanizama α = αe + αa + αd. Ako je broj molekula po jedinici volumena N, makroskopski polarizacijski vektor P može se korelirati s mikroskopskom molekularnom polarizabilnosti α. P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi, tako da je efektivno električno polje Ei koje percipira svaka molekularna polarizacija u mediju s dielektričnom konstantom različito od makroskopskog prosječnog električnog polja E. Na molekulu ne utječe samo E, već i električno polje koje generiraju druge polarizacije. Predviđeno je da je ispitivani molekularni model sfera, a radijus sfere je mnogo veći od razmaka atoma. Utjecaj molekularne polarizacije izvana, na ultrazvučni piezoelektrični pretvarač može se tretirati kao kontinuirani polarizirani medij na makroskopski način. Stupanj odziva na promjenu vanjskog polja tijekom polarizacije medija predstavljen je vremenom relaksacije τ. Fizičko značenje τ je dodavanje konstantnog električnog polja dielektriku, uklanjanje električnog polja nakon što se polarizacija stabilizira i prolazak vremena τ, polarizacija P . Zbroj vektora električnog dipolnog momenta u volumenu smanjuje se na 1/e od izvornog pm, tj. P=Pmetτ. Budući da postoji relaksacija u procesu polarizacije, D (vektor pomaka), promjene P i E nisu u fazi. D, P će zaostajati za fazom E. Sinusoidno izmjenično električno polje predstavljeno je kompleksnim brojem. Kako bi se izmjerio dielektrični spektar piezoelektrične keramike, u ovom eksperimentu, zujalica izrađena od piezoelektrične keramike postavljena je između dvije kružne ploče elektrode, a kutna frekvencija se dodaje ploči elektrode i sinusoidnom naponu ω.