Studio sulle caratteristiche di polarizzazione delle ceramiche piezoelettriche

Come nuovo materiale emerso negli ultimi anni, le ceramiche piezoelettriche sono ampiamente utilizzate nella produzione di prodotti elettronici e nella ricerca di laboratorio. La variazione della costante dielettrica della ceramica piezoelettrica è strettamente correlata alle sue caratteristiche strutturali e alla modalità di polarizzazione. Pertanto, lo studio delle caratteristiche della sua modalità di polarizzazione ha un alto riferimento per una comprensione e una ricerca più approfondite sui nuovi materiali come la ceramica piezoelettrica. La modalità di polarizzazione della ceramica piezoelettrica è stata analizzata mediante esperimenti e la modalità di polarizzazione della ceramica piezoelettrica è stata prevista in condizioni di campo elettrico alternato esterno. Lo spettro dielettrico è stato misurato da uno spettrometro elettrico e la previsione precedente è stata verificata mediante la misurazione dello spettro dielettrico e analizzata.

Polarizzazione e parametri dielettrici di i cristalli di ceramica piezoelettrica sono per lo più cristalli dielettrici, noti anche come dielettrici. Sotto l'azione di un campo elettrico esterno, i dielettrici reagiscono al campo elettrico esterno in modo induttivo. Una certa quantità di carica appare nel corpo o sulla superficie. Questo fenomeno è chiamato polarizzazione. L'elettrodeizzazione è rappresentata da un vettore di polarizzazione macroscopica P, che è uguale alla somma vettoriale dei momenti di dipolo elettrico per unità di volume. Se un numero uguale di cariche lascia una distanza sotto l'azione di un campo elettrico, che rappresenta il momento di dipolo elettrico del sistema di carica, e la direzione di l è diretta dalla carica negativa alla carica positiva. L'essenza della polarizzazione del dielettrico nel campo elettrico esterno è che la carica costituisce il dielettrico che presenta uno spostamento macroscopico sotto l'azione del campo elettrico esterno. La carica positiva verrà spostata lungo la linea elettrica e la carica negativa sposterà la linea elettrica inversa, facendo sì che il dielettrico generi un momento di dipolo macroelettrico. Entro un certo intervallo, la polarizzazione P è proporzionale al campo elettrico esterno EP = ε0xE, e x è chiamato tasso di polarizzazione. Dall'analisi del meccanismo microscopico, ci sono tre modi per generare la polarizzazione dielettrica, vale a dire la polarizzazione dello spostamento degli elettroni viene utilizzata per la polarizzazione dello spostamento e la polarizzazione dell'orientamento delle molecole polari. Indipendentemente dalla polarizzazione effettiva, il risultato può essere attribuito alla formazione di un dipolo elettrico nel mezzo, che può essere caratterizzato dal momento di dipolo elettricoμdella molecola o dell'atomo. La dimensione di μ è determinata non solo dal campo elettrico macroscopico E, ma anche dal campo elettrico generato dalle molecole adiacenti. La somma dei due è detta campo effettivo Ei. Nella formula μ = αEi, α è chiamata polarizzabilità di una molecola o di un atomo, ed è una quantità fisica microscopica che descrive le caratteristiche di polarizzazione di una molecola.

1.1 Polarizzazione dello spostamento elettronico

Sotto l'azione di un campo elettrico esterno, la nuvola di elettroni negli atomi e negli ioni che compongono il dielettrico verrà distorta, il che fa sì che la nuvola di elettroni si muova rispetto al nucleo, generando così un momento di dipolo elettrico. Questa polarizzazione è chiamata polarizzazione di spostamento degli elettroni. La polarizzazione per spostamento degli elettroni è una forma di polarizzazione che hanno tutti i dielettrici. La polarizzazione dello spostamento di un elettrone indica che, a causa dell'influenza del campo elettrico esterno, l'elettrone avrà una certa probabilità di assorbire energia e di passare tra i livelli energetici corrispondenti. Poiché gli elettroni esterni sono debolmente legati agli atomi, lo spostamento elettronico degli atomi deriva principalmente dagli elettroni di valenza. La polarizzabilità dello spostamento dell'elettrone è rappresentata da αe, e si presuppone che la molecola in esame sia una sfera, che viene calcolata da una carica puntiforme modello piezo-ceramico a sfera e modello ad orbita circolare.

Polarizzazione dello spostamento ionico

Polarizzazione di orientamento del momento di dipolo elettrico intrinseco

Se la molecola che costituisce il dielettrico è una molecola polare, il cui centro di carica positiva non coincide con il centro della carica negativa, ha un momento dipolare elettrico intrinseco. In assenza di un campo elettrico esterno, poiché il momento di dipolo elettrico delle molecole dielettriche di movimento termico Il componente ceramico piezoelettrico è spazialmente disordinato, la probabilità di puntare in tutte le direzioni è la stessa e i momenti di dipolo elettrico molecolare si annullano a vicenda. Pertanto, il dielettrico nel suo insieme non ha momento dipolare elettrico. Quando viene applicato un campo elettrico esterno, le cariche positive e negative del dipolo elettrico molecolare sono influenzate dalla forza del campo elettrico, e c'è la tendenza a puntare verso la direzione del campo elettrico esterno, oppure devono essere mantenute in uno stato stabile, in modo che l'energia del sistema sia ridotta al minimo, ed è necessario puntare nella direzione del campo elettrico esterno. O precessione attorno a un campo elettrico esterno. Secondo la teoria statistica, il numero di particelle ad energia E è proporzionale a e=-EkT. In questo modo è possibile calcolare la polarizzabilitàαd della polarizzazione dell'orientamento della molecola dielettrica. Dd=μ2. Nella formula 3kT, μ è il momento di dipolo elettrico intrinseco molecolare, k è la costante di Boltzmann e T è la temperatura.

La polarizzabilità totale α della molecola può essere considerata come la somma delle polarizzabilità di vari meccanismi α = αe + αa + αd. Se il numero di molecole per unità di volume è N, il vettore di polarizzazione macroscopica P può essere correlato con la polarizzabilità molecolare microscopica α. P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi, quindi il campo elettrico efficace Ei percepito da ciascuna polarizzazione molecolare nel mezzo a costante dielettrica è diverso dal campo elettrico medio macroscopico E. Per una molecola, non è influenzata solo da E, ma anche dal campo elettrico generato da altre polarizzazioni. Si prevede che il modello molecolare esaminato sia una sfera e il raggio della sfera sia molto maggiore della spaziatura degli atomi. L'influenza della polarizzazione molecolare all'esterno, il il trasduttore piezoelettrico ad ultrasuoni può essere trattato come un mezzo polarizzato continuo in modo macroscopico. Le risposte in gradi alla variazione del campo esterno durante la polarizzazione del mezzo sono rappresentate dal tempo di rilassamento τ. Il significato fisico di τ è aggiungere un campo elettrico costante al dielettrico, rimuovere il campo elettrico dopo che la polarizzazione si è stabilizzata e, passando il tempo τ, la polarizzazione P . La somma dei vettori del momento di dipolo elettrico nel volume è ridotta a 1/e del pm originale, cioè P=Pmetτ. Poiché c'è rilassamento nel processo di polarizzazione, i cambiamenti D (vettore di spostamento), P ed E non sono in fase. D, P rimarranno indietro rispetto alla fase di E. Il campo elettrico alternato sinusoidale è rappresentato da un numero complesso. Per misurare lo spettro dielettrico della ceramica piezoelettrica, in questo esperimento, un cicalino in ceramica piezoelettrica viene posizionato tra due fogli di elettrodi circolari e la frequenza angolare viene aggiunta al foglio di elettrodi e alla tensione sinusoidale di ω.