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近年登場した新素材として、 圧電セラミックは 、電子製品の製造や実験室研究で広く使用されています。圧電セラミックスの誘電率の変化は、その構造特性と分極モードに密接に関係しています。したがって、その分極モードの特性を研究することは、圧電セラミックスのような新材料についてのより深い理解と研究に大いに役立ちます。圧電セラミックスの分極モードを実験により解析し,外部交流電場の条件下で圧電セラミックスの分極モードを予測した。誘電スペクトルは電気分光計によって測定され、以前の予測は測定された誘電スペクトルによって検証され、分析されました。
の分極および誘電パラメータ 圧電セラミックス結晶の 大部分は誘電体結晶であり、誘電体としても知られています。外部電場の作用下では、誘電体は外部電場に対して誘導的に反応します。一定量の電荷が体内または表面に現れます。この現象を分極といいます。電気脱着は巨視的な分極ベクトル P によって表され、これは単位体積あたりの電気双極子モーメントのベクトル和に等しくなります。電場の作用下で距離を置く電荷の数が等しい場合、これは電荷系の電気双極子モーメントを表し、l の方向は負の電荷によって正の電荷に向けられます。外部電場における誘電体の分極の本質は、電荷が外部電場の作用下で巨視的変位を有する誘電体を構成していることです。正の電荷は電力線に沿って移動し、負の電荷は逆電力線をシフトし、誘電体にマクロ電気双極子モーメントを生成させます。ある範囲内では、分極 P は外部電場 EP = ε0xE に比例し、x を分極率と呼びます。微視的な機構解析から、誘電分極を発生させるには 3 つの方法があり、1 つは極性分子の変位分極と配向分極に使用される電子変位分極です。実際に分極が起こっているかどうかに関係なく、結果は媒質中の電気双極子の形成に起因すると考えられ、これは分子または原子の電気双極子モーメントμによって特徴付けることができます。 μの大きさは巨視的な電場Eだけでなく、隣接する分子によって発生する電場によっても決まります。両者の和を有効磁場Eiと呼びます。 μ = αEi の式において、α は分子または原子の分極率と呼ばれ、分子の分極特性を表す微視的な物理量です。
1.1電子変位分極
外部電場の作用下では、誘電体を構成する原子およびイオン内の電子雲が歪み、電子雲が原子核に対して移動し、電気双極子モーメントが発生します。この分極は電子の変位分極と呼ばれます。電子変位分極は、すべての誘電体が持つ分極の一種です。電子の変位分極は、外部電場の影響により、電子が一定の確率でエネルギーを吸収し、対応するエネルギー レベル間を遷移することを示します。外側の電子は原子によって弱く結合されているため、原子の電子の移動は主に価電子に由来します。電子の変位分極率は αe で表され、考慮している分子は球であると仮定され、点電荷によって計算されます。 球ピエゾセラミック モデルと円軌道モデル。
イオン変位分極
固有電気双極子モーメントの配向分極
分子が誘電体を構成しており、その正電荷の中心が負電荷の中心と一致しない極性分子である場合、その分子は固有の電気双極子モーメントを持ちます。外部電界が存在しない場合、熱運動誘電体分子の電気双極子モーメントは次のようになります。 圧電セラミックコンポーネントは 空間的に無秩序であり、すべての方向を指す確率は同じであり、分子の電気双極子モーメントは互いに打ち消し合います。したがって、誘電体全体としては電気双極子モーメントを持たない。外部電場が印加されると、分子電気双極子の正電荷と負電荷は電場力の影響を受け、外部電場の方向を向く傾向があり、あるいは系のエネルギーを最小化するために安定な状態に保つ必要があり、外部電場の方向を向く必要がある。または、外部電場の周りの歳差運動。統計理論によれば、エネルギー E における粒子の数は e=-EkT に比例します。これにより、誘電体分子の配向分極の分極率αdを計算することができる。 Dd=μ2 。3kT の公式では、μ は分子の固有電気双極子モーメント、k はボルツマン定数、T は温度です。
分子の全分極率 α は、さまざまな機構の分極率の合計 α = αe + αa + αd と考えることができます。単位体積あたりの分子の数を N とすると、巨視的な分極ベクトル P と微視的な分子分極率 α を相関させることができます。 P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi したがって、誘電率媒質中の各分子分極によって知覚される実効電場Eiは、巨視的な平均電場Eとは異なります。分子の場合、Eの影響を受けるだけでなく、他の分極によって生成される電場によっても影響されます。検討した分子モデルは球であり、球の半径は原子の間隔よりもはるかに大きいと想定されます。外部の分子分極の影響により、 超音波圧電トランスデューサは、 巨視的な方法で連続分極媒体として扱うことができます。媒質の分極中の外場の変化に対する応答の程度は、緩和時間 τ で表されます。 τ の物理的意味は、誘電体に一定の電場を加え、分極が安定した後に電場を除去し、時間 τ が経過すると、分極 P になります。体積内の電気双極子モーメント ベクトルの合計は、元の pm の 1/e、つまり P=Pmetτ に減ります。分極プロセスには緩和があるため、D (変位ベクトル)、P、および E の変化は同相ではありません。 D、P は E の位相より遅れます。正弦波交流電場は複素数で表されます。この実験では、圧電セラミックスの誘電スペクトルを測定するために、2枚の円形の電極シートの間に圧電セラミック製のブザーを置き、電極シートとωの正弦波電圧に角周波数を加えます。
