Kajian Karakteristik Polarisasi Keramik Piezoelektrik

Sebagai material baru yang muncul dalam beberapa tahun terakhir, keramik piezoelektrik banyak digunakan dalam pembuatan produk elektronik dan penelitian laboratorium. Variasi konstanta dielektrik keramik piezoelektrik berkaitan erat dengan karakteristik struktural dan mode polarisasinya. Oleh karena itu, mempelajari karakteristik mode polarisasinya memiliki referensi yang tinggi untuk pemahaman dan penelitian yang lebih mendalam terhadap material baru seperti keramik piezoelektrik. Mode polarisasi keramik piezoelektrik dianalisis melalui eksperimen, dan mode polarisasi keramik piezoelektrik diprediksi dalam kondisi medan listrik bolak-balik eksternal. Spektrum dielektrik diukur dengan spektrometer listrik, dan prediksi sebelumnya diverifikasi oleh spektrum dielektrik pengukuran dan dianalisis.

Parameter polarisasi dan dielektrik kristal keramik piezoelektrik sebagian besar merupakan kristal dielektrik, juga dikenal sebagai dielektrik. Di bawah pengaruh medan listrik luar, dielektrik akan bereaksi terhadap medan listrik luar secara induktif. Sejumlah muatan tertentu muncul di dalam tubuh atau di permukaan. Fenomena ini disebut polarisasi. Elektrodeisasi diwakili oleh vektor polarisasi makroskopis P, yang sama dengan jumlah vektor momen dipol listrik per satuan volume. Jika jumlah muatan yang sama meninggalkan jarak di bawah aksi medan listrik, yang mewakili momen dipol listrik sistem muatan, dan arah l diarahkan oleh muatan negatif ke muatan positif. Inti dari polarisasi dielektrik dalam medan listrik luar adalah bahwa muatan yang membentuk dielektrik mengalami perpindahan makroskopis di bawah pengaruh medan listrik luar. Muatan positif akan berpindah sepanjang saluran listrik, dan muatan negatif akan menggeser saluran listrik sebaliknya, sehingga menyebabkan dielektrik menghasilkan momen dipol makrolistrik. Dalam rentang tertentu, polarisasi P sebanding dengan medan listrik luar EP = ε0xE, dan x disebut laju polarisasi. Dari analisis mekanisme mikroskopis, terdapat tiga cara untuk menghasilkan polarisasi dielektrik, yaitu polarisasi perpindahan elektron yang digunakan untuk polarisasi perpindahan dan polarisasi orientasi molekul polar. Terlepas dari polarisasi yang sebenarnya terjadi, hal ini dapat dikaitkan dengan pembentukan dipol listrik dalam medium, yang dapat ditandai dengan momen dipol listrikμ molekul atau atom. Ukuran μ ditentukan tidak hanya oleh medan listrik makroskopis E, tetapi juga oleh medan listrik yang dihasilkan oleh molekul yang berdekatan. Jumlah keduanya disebut medan efektif Ei. Dalam rumus μ = αEi, α disebut polarisasi suatu molekul atau atom, dan merupakan besaran fisika mikroskopis yang menggambarkan karakteristik polarisasi suatu molekul.

1.1Polarisasi perpindahan elektron

Di bawah pengaruh medan listrik eksternal, awan elektron pada atom dan ion penyusun dielektrik akan terdistorsi, yang menyebabkan awan elektron bergerak relatif terhadap inti, sehingga menghasilkan momen dipol listrik. Polarisasi ini disebut polarisasi perpindahan elektron. Polarisasi perpindahan elektron adalah bentuk polarisasi yang dimiliki semua dielektrik. Polarisasi perpindahan suatu elektron menunjukkan bahwa karena pengaruh medan listrik eksternal, elektron akan memiliki kemungkinan tertentu untuk menyerap energi dan bertransisi antara tingkat energi yang sesuai. Karena elektron terluar terikat lemah oleh atom, perpindahan elektron atom terutama berasal dari elektron valensi. Perpindahan polarisasi elektron diwakili oleh αe, dan diasumsikan bahwa molekul yang dipertimbangkan adalah sebuah bola, yang dihitung dengan muatan titik. model keramik bola piezo dan model orbit melingkar.

Polarisasi perpindahan ion

Polarisasi orientasi momen dipol listrik intrinsik

Jika molekul tersebut merupakan dielektrik yang merupakan molekul polar, yang pusat muatan positifnya tidak berimpit dengan pusat muatan negatif, maka ia mempunyai momen dipol listrik yang melekat. Dengan tidak adanya medan listrik eksternal, karena momen dipol listrik dari gerak termal molekul dielektrik Komponen keramik piezoelektrik tidak teratur secara spasial, kemungkinan menunjuk ke segala arah adalah sama, dan momen dipol listrik molekuler saling menghilangkan. Oleh karena itu, dielektrik secara keseluruhan tidak mempunyai momen dipol listrik. Ketika medan listrik luar diterapkan, muatan positif dan negatif dipol listrik molekul dipengaruhi oleh gaya medan listrik, dan ada kecenderungan mengarah ke arah medan listrik luar, atau harus dijaga dalam keadaan stabil, sehingga energi sistem diminimalkan, dan perlu diarahkan ke arah medan listrik luar. Atau presesi di sekitar medan listrik luar. Menurut teori statistik, jumlah partikel pada energi E sebanding dengan e=-EkT. Berdasarkan hal ini, polarisasiabilitas αd dari polarisasi orientasi molekul dielektrik dapat dihitung. Dd=μ2 .Dalam rumus 3kT, μ adalah momen dipol listrik intrinsik molekul, k adalah konstanta Boltzmann, dan T adalah suhu.

Total polarisasi α suatu molekul dapat dianggap sebagai jumlah polarisasi berbagai mekanisme α = αe + αa + αd. Jika jumlah molekul per satuan volume adalah N, vektor polarisasi makroskopis P dapat dikorelasikan dengan polarisasi molekul mikroskopis α. P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi, sehingga medan listrik efektif Ei yang dirasakan oleh setiap polarisasi molekul dalam medium konstanta dielektrik berbeda dengan medan listrik rata-rata makroskopis E. Untuk suatu molekul, tidak hanya dipengaruhi oleh E, tetapi juga oleh medan listrik yang dihasilkan oleh polarisasi lainnya. Diperkirakan bahwa model molekul yang diperiksa adalah sebuah bola, dan jari-jari bola tersebut jauh lebih besar daripada jarak atom. Pengaruh polarisasi molekul luar, yaitu transduser piezoelektrik ultrasonik dapat diperlakukan sebagai media terpolarisasi kontinu secara makroskopis. Derajat respons terhadap perubahan medan luar selama polarisasi medium diwakili oleh waktu relaksasi τ. Arti fisis dari τ adalah menambahkan medan listrik konstan pada dielektrik, menghilangkan medan listrik setelah polarisasi stabil, dan melewatkan waktu τ, polarisasi P. Jumlah vektor momen dipol listrik dalam volume dikurangi menjadi 1/e dari pm semula, yaitu P=Pmetτ. Karena terjadi relaksasi pada proses polarisasi, D (vektor perpindahan), perubahan P dan E tidak sefasa. D, P akan tertinggal dari fase E. Medan listrik bolak-balik sinusoidal diwakili oleh bilangan kompleks. Untuk mengukur spektrum dielektrik keramik piezoelektrik, pada percobaan ini buzzer yang terbuat dari keramik piezoelektrik ditempatkan di antara dua lembar elektroda melingkar, kemudian ditambahkan frekuensi sudut pada lembar elektroda dan tegangan sinusoidal ω.