圧電セラミック誘電体の分極

ビュー: 16 著者: サイト編集者公開時間: 2018-09-15 起源: サイト

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圧電セラミックス結晶 は誘電体と異方性誘電体の両方であるため、圧電結晶の誘電特性は等方性誘電体の誘電特性とは異なります。誘電体は電場の作用により分極され、分極状態とは、電場が誘電体の電荷点に相対的な変位力を及ぼし、電荷間の相互引力の一時的な平衡状態を指します。電場は分極の外部原因です。分極の内部原因は媒体の内部にあります。媒体内部の微細なプロセスにより、3 つの主な分極メカニズムが存在します。

(1) 誘電体を構成する原子またはイオン。電場の作用下では、正に帯電した原子核はその殻電子の負の中心と一致しないため、電気双極子モーメントが発生します。この分極は電子変位分極と呼ばれます。

(2) 誘電体を構成する正イオンと負イオンは電場の作用下で相対変位を受け、その結果、イオン変位分極と呼ばれる電気双極子モーメントが生じます。

(3) 誘電体を構成する分子はある固有電気モーメントを持つ極性分子ですが、熱運動により配向が乱れ、誘電体全体の電気モーメントの合計はゼロになります。外部電場が作用すると、これらの電気双極子モーメントは外部電場に沿って整列します。超音波圧電結晶は 、誘電体内に巨視的な電気双極子モーメントを生成します。これは配向分極と呼ばれます。

無限分子の変位分極

無電極誘電体が電場力の作用下で外部電場にある場合、分子の正および負の電荷中心は相対変位を生成して電気双極子を形成し、それらの等価電気双極子モーメント P は電場の方向に沿って配向します。誘電体圧電体全体では、誘電体中の各分子は電気双極子を形成するため、誘電体中に配列されます。誘電体内の隣接する電気双極子の正電荷と負電荷は互いに近接しています。誘電体が均一であれば、その全体にわたって電気的に中性を保ちますが、誘電体の表面は外部電界強度 E0 に対して垂直になります。それぞれ正と負の電荷が存在し、誘電体から離れることも、誘電体中を自由に移動することもできません。外部電場の作用下で誘電体内で電荷が分極するこの現象は、誘電体の分極と呼ばれます。外部電場が強いほど、各分子の正電荷中心と負電荷中心の間の相対変位が大きくなり、分子の電気双極子モーメントが大きくなり、誘電体の両面に現れる分極電荷が多くなり、分極が高くなります。外部電場が 共振周波数の圧電トランスデューサーが 取り除かれると、正と負の電荷の中心が再び一致します (P = 0)。そのため、このタイプの分子は、その弾性力が 2 つの等価な電荷によって接続されている弾性電気双極子とみなすことができます。電気双極子モーメント P の大きさは場の強さに比例します。無限分子の分極は正と負の電荷の中心の相対的な変位にあるため、ビットと呼ばれることがよくあります。

極性分子の配向分極

極性分子誘電体の場合、分子内の正と負の電荷の中心が電気双極子に相当します。外部電場の作用下では、分子はモーメントを受け、その結果、分子の電気双極子モーメント P が電場の方向に向きを変えます。分子の熱運動の干渉のため、このステアリングは非常に小さく、すべての分子の電気双極子モーメントを電場の方向に沿って揃えることは不可能です。圧電電極圧電セラミックスの外部電場が強いほど、分子の電気双極子モーメントの制御順序は整います。巨視的レベルでは、誘電体および外部電場に対して垂直な両面に現れる分極電荷の数が多くなるほど、分極度が高くなります。外部電場が除去されると、分子の熱運動により分子の電気双極子モーメントの方向は不規則な配置となり、誘電体は中性のままになります。極性分子の分極は等価電気双極子が外部電場に向かう方向にあるため、配向分極と呼ばれます。一般に、分子は同時に分極しますが、変位分極も発生します。 2 種類の誘電体の分極の微視的なプロセス、極性は異なりますが、巨視的な効果は同じです。異なる数の分極した電荷が圧電プレートセンサーの誘電体の対向する 2 つの表面に現れ、外部電場が増加します。より分極した電荷が現れます。したがって、以下に誘電体の分極現象を巨視的に説明する場合、必ずしも２種類の誘電体に分けて議論する必要はない。