Polarisasi Piezoelektrik dan Lingkaran Histeresis

Polarisasi keramik piezoelektrik

 

Sebelum bahan keramik piezoelektrik tidak terpolarisasi, elektron bebas tersusun tidak teratur; setelah perlakuan polarisasi, polarisasi remanen dihasilkan sepanjang arah polarisasi menjadi polikristal anisotropik, elektron bebas cenderung konsisten, dan piezoelektrik meningkat pesat. Seperti terlihat pada Gambar 1 dan Gambar 2, bahan keramik piezoelektrik dapat dibuat menjadi bentuk dan arah polarisasi. Itu Bahan keramik piezoelektrik sebelum dan sesudah polarisasi mempunyai konstanta dielektrik ε dan konstanta piezoelektrik d yang berbeda.

Tetapkan konstanta dielektrik sebelum polarisasi: ε 11 = ε 22 = ε 33. Jika s terpolarisasi sepanjang arah 3, dua permukaan elektroda lainnya tegak lurus terhadap arah polarisasi. Konstanta dielektrik setelah polarisasi: ε 11 = ε 22 ≠ ε 33, dan nilai ε 33 jauh lebih besar daripada nilai ε11.

Konstanta piezoelektrik keramik piezoelektrik juga anisotropik, dan nilai konstanta piezoelektrik d sepanjang arah yang berbeda juga berbeda. Diantaranya yang nilai sepanjang arah 3 besar yaitu d 33 >>d 31 dan d 32 . Jika diukur dengan galvanometer, hanya ada arus di d33, dan tidak ada arus yang dihasilkan di dua arah lainnya. Polarisasi keramik piezoelektrik sangat mirip dengan magnetisasi magnet, dan kekuatan medan magnet akan sangat berubah sebelum dan sesudah magnetisasi.

 

Sirkuit histeresis keramik piezoelektrik

Bola keramik piezoelektrik bersifat polikristalin, dan jika suhunya lebih tinggi dari suhu Curie Tc, maka ia berbentuk kisi kubik; ketika suhunya di bawah suhu Curie Tc, ia merupakan kisi tetragonal dan memiliki sifat piezoelektrik. Fenomena dimana bahan piezoelektrik dapat mengubah struktur internal bahan pada suhu Tc disebut transisi fasa keadaan padat, dan Tc disebut suhu transisi fasa, juga dikenal sebagai suhu Curie. Bahan piezoelektrik yang berbeda memiliki suhu Curie yang berbeda pula.

 

Misalnya suhu Curie Tc BaTiO3 adalah 120 ° C, dan PbTiO3 adalah 490 ° C. Ketika suhu naik menjadi Tc, ketiga panjang sisi sel satuan kubik adalah sama, yaitu: a = b = c, saat ini pusat muatan terletak di tengah kubus, dan keramik piezoelektrik tidak mempunyai sifat piezoelektrik. Bila suhu lebih rendah dari Tc maka panjang ketiga sisi sel satuan tetragonal tidak sama, yaitu: a = b

Ferroelektrik muncul ketika keramik piezoelektrik terpolarisasi. Setelah polarisasi kedua, akan terbentuk kurva loop, seperti ditunjukkan pada Gambar 3 [1].

Pada gambar, Ps adalah polarisasi spontan; Pr adalah polarisasi sisa; Ec adalah kekuatan medan koersif  .

Terlihat dari kurva loop histeresis setelah polarisasi sangat mirip dengan kurva loop histeresis, sehingga keramik piezoelektrik disebut juga feroelektrik. Setelah satu polarisasi, terdapat polarisasi sisa Pr, yang berubah sepanjang kurva ini setiap saat setelahnya. Bahan piezoelektrik yang berbeda memiliki loop histeresis yang berbeda.

 

Medan listrik bolak-balik diterapkan pada badan keramik piezoelektrik, dan kurva histeresis dapat diamati langsung melalui osiloskop. Ketika medan listrik meningkat hingga intensitas tertentu, intensitas polarisasi mencapai saturasi. Diantaranya, penampang BC adalah pertambahan linier, Ps adalah intensitas polarisasi spontan, bila medan listrik nol maka intensitas polarisasi tidak sama dengan nol, dan P r adalah intensitas polarisasi sisa. Ketika medan listrik dinaikkan secara terbalik menjadi Ec, polarisasinya nol. Karena titik Ec dapat membuat intensitas polarisasi keramik piezoelektrik menjadi nol, maka Ec disebut kuat medan koersif. Ketika medan listrik meningkat ke arah yang berlawanan, intensitas polarisasi juga meningkat ke arah yang berlawanan. Ketika intensitas polarisasi balik mencapai saturasi, kemudian medan listrik terbalik berkurang, intensitas polarisasi akan berubah sepanjang garis kurva HFC.

 

Proses polarisasi adalah proses yang sangat rumit. Tidak hanya medan listrik yang tinggi diperlukan selama polarisasi, tetapi ketebalan yang berbeda memerlukan waktu yang berbeda, dan efek polarisasi terbaik harus dicapai pada suhu yang relatif tinggi. Itu bahan keramik piezoelektrik terpolarisasi akan kehilangan efek polarisasi pada suhu tinggi tertentu, dan bahan piezoelektrik yang berbeda memiliki suhu kegagalan yang berbeda, yang harus diperhatikan saat memilih bahan keramik piezoelektrik. Kinerja polarisasi keramik piezoelektrik, perbedaan kinerja antara bahan keramik piezoelektrik sebelum dan sesudah polarisasi sangat besar.