Polaryzacja piezoelektryczna i pętla histerezy

Polaryzacja ceramiki piezoelektrycznej

 

Przed piezoelektryczny materiał ceramiczny nie jest spolaryzowany, wolne elektrony są ułożone w sposób nieuporządkowany; po obróbce polaryzacyjnej wzdłuż kierunku polaryzacji generowana jest polaryzacja resztkowa, która staje się anizotropowym polikryształem, wolne elektrony wydają się być spójne, a piezoelektryczność jest znacznie zwiększona. Jak pokazano na rysunkach 1 i 2, piezoelektryczne materiały ceramiczne można formować w kształty i kierunki polaryzacji. The Piezoelektryczne materiały ceramiczne przed i po polaryzacji mają różną stałą dielektryczną ε i stałą piezoelektryczną d.

Ustaw stałą dielektryczną przed polaryzacją: ε 11 = ε 22 = ε 33. Jeśli s jest spolaryzowany wzdłuż kierunku 3, pozostałe dwie powierzchnie elektrod są prostopadłe do kierunku polaryzacji. Stała dielektryczna po polaryzacji: ε 11 = ε 22 ≠ ε 33, a wartość ε 33 jest znacznie większa niż ε11.

Stała piezoelektryczna ceramiki piezoelektrycznej jest również anizotropowa, a wartość stałej piezoelektrycznej d w różnych kierunkach jest również różna. Wśród nich wartość wzdłuż kierunku 3 jest duża, czyli d 33 >>d 31 i d 32 . Jeśli zmierzono galwanometrem, prąd płynie tylko w d33, a w pozostałych dwóch kierunkach nie jest generowany żaden prąd. Polaryzacja ceramiki piezoelektrycznej jest bardzo podobna do namagnesowania magnesów, a natężenie pola magnetycznego znacznie się zmieni przed i po namagnesowaniu.

 

Obwód histerezy ceramiki piezoelektrycznej

Kula z ceramiki piezoelektrycznej jest polikrystaliczny, a gdy jego temperatura jest wyższa od temperatury Curie Tc, jest to sieć sześcienna; gdy jego temperatura jest niższa od temperatury Curie Tc, jest to sieć tetragonalna i ma piezoelektryczność. Zjawisko polegające na tym, że materiał piezoelektryczny może zmieniać wewnętrzną strukturę materiału w temperaturze Tc, nazywa się przejściem fazowym w stanie stałym, a Tc nazywa się temperaturą przemiany fazowej, znaną również jako temperatura Curie. Różne materiały piezoelektryczne mają różne temperatury Curie.

 

Na przykład temperatura Curie Tc BaTiO3 wynosi 120 ° C, a PbTiO3 wynosi 490 ° C. Gdy temperatura wzrasta do Tc, długości trzech boków sześciennej komórki elementarnej są równe, czyli: a = b = c, w tym momencie środek ładunku znajduje się w środku sześcianu, a ceramika piezoelektryczna nie ma piezoelektryczności. Gdy temperatura jest niższa od Tc, długości trzech boków tetragonalnej komórki elementarnej nie są równe, a mianowicie: a = b

Ferroelektryczność pojawia się, gdy ceramika piezoelektryczna jest spolaryzowana. Po drugiej polaryzacji powstanie krzywa pętlowa, jak pokazano na rys. 3 [1].

Na rysunku Ps oznacza polaryzację spontaniczną; Pr jest polaryzacją resztkową; Ec to siła pola koercyjnego  .

Z krzywej pętli histerezy po polaryzacji widać, że jest ona bardzo podobna do krzywej pętli histerezy, dlatego ceramikę piezoelektryczną nazywa się także ferroelektrykami. Po jednej polaryzacji następuje polaryzacja remanentna Pr, która za każdym razem zmienia się wzdłuż tej krzywej. Różne materiały piezoelektryczne mają różne pętle histerezy.

 

Do piezoelektrycznego korpusu ceramicznego przykładane jest zmienne pole elektryczne, a krzywą histerezy można bezpośrednio obserwować za pomocą oscyloskopu. Kiedy pole elektryczne wzrasta do określonej intensywności, intensywność polaryzacji osiąga stan nasycenia. Wśród nich przekrój BC jest wzrostem liniowym, Ps jest intensywnością polaryzacji spontanicznej, gdy pole elektryczne wynosi zero, intensywność polaryzacji nie jest równa zeru, a P r jest intensywnością polaryzacji remanentnej. Gdy pole elektryczne zostanie odwrotnie zwiększone do Ec, polaryzacja wynosi zero. Ponieważ punkt Ec może sprawić, że intensywność polaryzacji ceramiki piezoelektrycznej będzie zerowa, Ec nazywa się siłą pola koercyjnego. Kiedy pole elektryczne wzrasta w przeciwnym kierunku, intensywność polaryzacji wzrasta również w przeciwnym kierunku. Kiedy intensywność odwrotnej polaryzacji osiągnie nasycenie, a następnie zmniejszy się odwrotne pole elektryczne, intensywność polaryzacji zmieni się wzdłuż linii krzywej HFC.

 

Proces polaryzacji jest procesem bardzo skomplikowanym. Podczas polaryzacji wymagane jest nie tylko wysokie pole elektryczne, ale różne grubości wymagają różnych czasów, a najlepszy efekt polaryzacji należy osiągnąć w stosunkowo wysokiej temperaturze. The spolaryzowany materiał ceramiczny piezoelektryczny utraci efekt polaryzacji w określonej wysokiej temperaturze, a różne materiały piezoelektryczne mają różne temperatury awarii, na co należy zwrócić uwagę przy wyborze piezoelektrycznych materiałów ceramicznych. Wydajność polaryzacji ceramiki piezoelektrycznej, różnica wydajności między piezoelektrycznymi materiałami ceramicznymi przed i po polaryzacji jest bardzo duża.