Onderzoek naar polarisatiekenmerken van piëzo-elektrische keramiek

Als nieuw materiaal dat de afgelopen jaren is ontstaan, piëzo-elektrische keramiek wordt veel gebruikt bij de vervaardiging van elektronische producten en laboratoriumonderzoek. De variatie van de diëlektrische constante van piëzo-elektrische keramiek hangt nauw samen met de structurele kenmerken en polarisatiemodus ervan. Daarom heeft het bestuderen van de kenmerken van de polarisatiemodus een hoge referentie voor een dieper begrip en onderzoek naar de nieuwe materialen zoals piëzo-elektrische keramiek. De polarisatiemodus van piëzo-elektrische keramiek werd geanalyseerd door experimenten, en de polarisatiemodus van piëzo-elektrische keramiek werd voorspeld onder de voorwaarde van een extern elektrisch wisselveld. Het diëlektrische spectrum werd gemeten met een elektrische spectrometer, en de eerdere voorspelling werd geverifieerd door het metende diëlektrische spectrum en geanalyseerd.

Polarisatie en diëlektrische parameters van piëzo-elektrische keramische kristallen zijn meestal diëlektrische kristallen, ook wel diëlektrica genoemd. Onder invloed van een extern elektrisch veld zullen de diëlektrica op inductieve wijze reageren op het externe elektrische veld. Er verschijnt een bepaalde hoeveelheid lading in het lichaam of op het oppervlak. Dit fenomeen wordt polarisatie genoemd. Elektrodeisatie wordt weergegeven door een macroscopische polarisatievector P, die gelijk is aan de vectorsom van de elektrische dipoolmomenten per volume-eenheid. Als een gelijk aantal ladingen een afstand achterlaat onder invloed van een elektrisch veld, dat het elektrische dipoolmoment van het ladingssysteem vertegenwoordigt, en de richting van l door de negatieve lading naar de positieve lading wordt geleid. De essentie van de polarisatie van het diëlektricum in het externe elektrische veld is dat de lading het diëlektricum vormt dat een macroscopische verplaatsing onder de werking van het externe elektrische veld heeft. De positieve lading zal langs de stroomlijn worden verplaatst, en de negatieve lading zal de omgekeerde stroomlijn verschuiven, waardoor het diëlektricum een ​​macro-elektrisch dipoolmoment genereert. Binnen een bepaald bereik is de polarisatie P evenredig met het externe elektrische veld EP = ε0xE, en x wordt de polarisatiesnelheid genoemd. Uit de microscopische mechanismeanalyse zijn er drie manieren om diëlektrische polarisatie te genereren, namelijk elektronenverdringingspolarisatie wordt gebruikt voor verplaatsingspolarisatie en oriëntatiepolarisatie van polaire moleculen. Ongeacht of de polarisatie daadwerkelijk plaatsvindt, kan het resultaat worden toegeschreven aan de vorming van een elektrische dipool in het medium, die kan worden gekarakteriseerd door het elektrische dipoolmomentμ van het molecuul of atoom. De grootte van μ wordt niet alleen bepaald door het macroscopische elektrische veld E, maar ook door het elektrische veld dat wordt gegenereerd door de aangrenzende moleculen. De som van deze twee wordt het effectieve veld Ei genoemd. In de formule μ = αEi wordt α de polariseerbaarheid van een molecuul of een atoom genoemd, en het is een microscopische fysieke grootheid die de polarisatie-eigenschappen van een molecuul beschrijft.

1.1 Polarisatie van elektronenverplaatsing

Onder invloed van een extern elektrisch veld zal de elektronenwolk in de atomen en ionen waaruit het diëlektricum bestaat, worden vervormd, waardoor de elektronenwolk ten opzichte van de kern gaat bewegen, waardoor een elektrisch dipoolmoment ontstaat. Deze polarisatie wordt de verplaatsingspolarisatie van elektronen genoemd. Elektronverdringingspolarisatie is een vorm van polarisatie die alle diëlektrica hebben. De verplaatsingspolarisatie van een elektron geeft aan dat het elektron, als gevolg van de invloed van het externe elektrische veld, een bepaalde waarschijnlijkheid zal hebben om energie te absorberen en over te schakelen tussen de overeenkomstige energieniveaus. Omdat de buitenste elektronen zwak gebonden zijn door atomen, wordt de elektronenverplaatsing van atomen voornamelijk afgeleid van valentie-elektronen. De verplaatsingspolariseerbaarheid van het elektron wordt weergegeven door αe, en er wordt aangenomen dat het beschouwde molecuul een bol is, die wordt berekend door een puntlading bolpiëzo-keramisch model en een cirkelvormig baanmodel.

Polarisatie van ionenverplaatsing

Oriëntatiepolarisatie van het intrinsieke elektrische dipoolmoment

Als het molecuul het diëlektricum vormt dat een polair molecuul is, waarvan het positieve ladingscentrum niet samenvalt met het centrum van de negatieve lading, heeft het een inherent elektrisch dipoolmoment. Bij afwezigheid van een extern elektrisch veld, omdat het elektrische dipoolmoment van de thermische beweging diëlektrische moleculen van De piëzo-elektrische keramische component is ruimtelijk wanordelijk, de kans om in alle richtingen te wijzen is hetzelfde en de moleculair-elektrische dipoolmomenten heffen elkaar op. Daarom heeft het diëlektricum als geheel geen elektrisch dipoolmoment. Wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, worden de positieve en negatieve ladingen van de moleculaire elektrische dipool beïnvloed door de elektrische veldkracht, en is er een neiging om in de richting van het externe elektrische veld te wijzen, of ze moeten in een stabiele toestand worden gehouden, zodat de energie van het systeem wordt geminimaliseerd, en het is noodzakelijk om naar de richting van het externe elektrische veld te wijzen. Of precessie rond een extern elektrisch veld. Volgens de statistische theorie is het aantal deeltjes bij energie E evenredig met e=-EkT. Volgens dit kan de polariseerbaarheidad van de oriëntatiepolarisatie van het diëlektrische molecuul worden berekend. Dd=μ2. In de 3kT-formule is μ het moleculair intrinsieke elektrische dipoolmoment, k de constante van Boltzmann en T de temperatuur.

De totale polariseerbaarheid α van het molecuul kan worden beschouwd als de som van de polariseerbaarheid van verschillende mechanismen α = αe + αa + ad. Als het aantal moleculen per volume-eenheid N is, kan de macroscopische polarisatievector P gecorreleerd worden met de microscopische moleculaire polariseerbaarheid α. P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi, dus het effectieve elektrische veld Ei dat wordt waargenomen door elke moleculaire polarisatie in het diëlektrische constante medium verschilt van het macroscopische gemiddelde elektrische veld E. Voor een molecuul wordt dit niet alleen beïnvloed door E, maar ook door het elektrische veld dat door andere polarisaties wordt gegenereerd. Er wordt aangenomen dat het onderzochte moleculaire model een bol is, en dat de straal van de bol veel groter is dan de afstand tussen de atomen. De invloed van moleculaire polarisatie buiten, de ultrasone piëzo-elektrische transducer kan op macroscopische wijze worden behandeld als een continu gepolariseerd medium. De mate van respons op de verandering van het externe veld tijdens de polarisatie van het medium wordt weergegeven door de relaxatietijd τ. De fysieke betekenis van τ is het toevoegen van een constant elektrisch veld aan het diëlektricum, het verwijderen van het elektrische veld nadat de polarisatie is gestabiliseerd, en het verstrijken van de tijd τ, de polarisatie P. De som van de elektrische dipoolmomentvectoren in het volume wordt teruggebracht tot 1/e van de oorspronkelijke pm, dwz P = Pmetτ. Omdat er sprake is van ontspanning in het polarisatieproces, zijn de veranderingen in D (verplaatsingsvector), P en E niet in fase. D, P zal achterblijven bij de fase van E. Het sinusoïdale elektrische wisselveld wordt weergegeven door een complex getal. Om het diëlektrische spectrum van het piëzo-elektrische keramiek te meten, wordt in dit experiment een zoemer gemaakt van piëzo-elektrische keramiek tussen twee cirkelvormige elektrodeplaten geplaatst, en wordt de hoekfrequentie opgeteld bij de elektrodeplaat en een sinusoïdale spanning van ω.