Badanie właściwości polaryzacyjnych ceramiki piezoelektrycznej

Jako nowy materiał, który pojawił się w ostatnich latach, Ceramika piezoelektryczna jest szeroko stosowana w produkcji produktów elektronicznych i badaniach laboratoryjnych. Zmiana stałej dielektrycznej ceramiki piezoelektrycznej jest ściśle związana z jej właściwościami strukturalnymi i trybem polaryzacji. Dlatego badanie charakterystyki jego trybu polaryzacji ma duże znaczenie dla głębszego zrozumienia i badań nad nowymi materiałami, takimi jak ceramika piezoelektryczna. Tryb polaryzacji ceramiki piezoelektrycznej analizowano eksperymentalnie, a tryb polaryzacji ceramiki piezoelektrycznej przewidywano w warunkach zewnętrznego zmiennego pola elektrycznego. Widmo dielektryczne zmierzono za pomocą spektrometru elektrycznego, a wcześniejsze przewidywania zweryfikowano za pomocą pomiarowego widma dielektrycznego i poddano analizie.

Polaryzacja i parametry dielektryczne Kryształy ceramiki piezoelektrycznej to głównie kryształy dielektryczne, znane również jako dielektryki. Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego dielektryki będą reagować na zewnętrzne pole elektryczne w sposób indukcyjny. Pewna ilość ładunku pojawia się w ciele lub na powierzchni. Zjawisko to nazywa się polaryzacją. Elektrodezację reprezentuje makroskopowy wektor polaryzacji P, który jest równy sumie wektorów elektrycznych momentów dipolowych na jednostkę objętości. Jeśli równa liczba ładunków pozostawia odległość pod działaniem pola elektrycznego, co reprezentuje elektryczny moment dipolowy układu ładunków, a kierunek l jest kierowany przez ładunek ujemny do ładunku dodatniego. Istota polaryzacji dielektryka w zewnętrznym polu elektrycznym polega na tym, że ładunek stanowi dielektryk, który pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego ulega makroskopowym przemieszczeniom. Ładunek dodatni zostanie przesunięty wzdłuż linii energetycznej, a ładunek ujemny przesunie odwrotną linię zasilania, powodując, że dielektryk wygeneruje makroelektryczny moment dipolowy. W pewnym zakresie polaryzacja P jest proporcjonalna do zewnętrznego pola elektrycznego EP = ε0xE, a x nazywa się współczynnikiem polaryzacji. Z analizy mechanizmu mikroskopowego wynika, że ​​polaryzację dielektryczną można uzyskać na trzy sposoby, mianowicie polaryzację z przemieszczeniem elektronów wykorzystuje się do polaryzacji przemieszczenia i polaryzacji orientacji cząsteczek polarnych. Niezależnie od tego, jaka polaryzacja faktycznie zachodzi, wynik można przypisać tworzeniu się dipola elektrycznego w ośrodku, który można scharakteryzować za pomocą elektrycznego momentu dipolowego μ cząsteczki lub atomu. O wielkości μ decyduje nie tylko makroskopowe pole elektryczne E, ale także pole elektryczne generowane przez sąsiednie cząsteczki. Suma tych dwóch nazywa się polem efektywnym Ei. We wzorze μ = αEi, α nazywa się polaryzowalnością cząsteczki lub atomu i jest mikroskopijną wielkością fizyczną opisującą charakterystykę polaryzacyjną cząsteczki.

1.1 Polaryzacja przemieszczenia elektronów

Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego chmura elektronów w atomach i jonach tworzących dielektryk zostanie zniekształcona, co powoduje ruch chmury elektronów względem jądra, generując w ten sposób elektryczny moment dipolowy. Polaryzacja ta nazywana jest polaryzacją przemieszczenia elektronów. Polaryzacja z przemieszczeniem elektronów jest formą polaryzacji występującą we wszystkich dielektrykach. Polaryzacja przemieszczenia elektronu wskazuje, że pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego elektron będzie miał pewne prawdopodobieństwo pochłonięcia energii i przejścia między odpowiednimi poziomami energii. Ponieważ zewnętrzne elektrony są słabo związane z atomami, przemieszczenie elektronów atomów wynika głównie z elektronów walencyjnych. Polaryzowalność przemieszczenia elektronu jest reprezentowana przez αe i zakłada się, że rozważana cząsteczka jest kulą, co oblicza się na podstawie ładunku punktowego kulisty model piezoceramiczny i model orbity kołowej.

Polaryzacja przemieszczenia jonów

Polaryzacja orientacji wewnętrznego elektrycznego momentu dipolowego

Jeśli cząsteczka stanowi dielektryk, czyli jest cząsteczką polarną, której środek ładunku dodatniego nie pokrywa się ze środkiem ładunku ujemnego, ma ona wrodzony elektryczny moment dipolowy. W przypadku braku zewnętrznego pola elektrycznego, ponieważ elektryczny moment dipolowy ruchu termicznego cząsteczek dielektrycznych Piezoelektryczny element ceramiczny jest przestrzennie nieuporządkowany, prawdopodobieństwo skierowania go we wszystkich kierunkach jest takie samo, a molekularne elektryczne momenty dipolowe znoszą się wzajemnie. Dlatego dielektryk jako całość nie ma elektrycznego momentu dipolowego. Kiedy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, na dodatnie i ujemne ładunki molekularnego dipola elektrycznego wpływa siła pola elektrycznego i istnieje tendencja do wskazywania kierunku zewnętrznego pola elektrycznego lub muszą być utrzymywane w stabilnym stanie, aby zminimalizować energię układu i konieczne jest wskazanie kierunku zewnętrznego pola elektrycznego. Lub precesja wokół zewnętrznego pola elektrycznego. Zgodnie z teorią statystyczną liczba cząstek o energii E jest proporcjonalna do e=-EkT. Na tej podstawie można obliczyć polaryzowalność αd polaryzacji orientacji cząsteczki dielektryka. Dd=μ2. We wzorze 3kT μ jest molekularnym wewnętrznym elektrycznym momentem dipolowym, k jest stałą Boltzmanna, a T jest temperaturą.

Całkowitą polaryzowalność α cząsteczki można uznać za sumę polaryzowalności różnych mechanizmów α = αe + αa + αd. Jeżeli liczba cząsteczek na jednostkę objętości wynosi N, makroskopowy wektor polaryzacji P można skorelować z mikroskopową polaryzowalnością cząsteczek α. P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi, zatem efektywne pole elektryczne Ei odbierane przez każdą polaryzację molekularną w ośrodku stałym dielektrycznym różni się od makroskopowego średniego pola elektrycznego E. W przypadku cząsteczki wpływa na nią nie tylko E, ale także pole elektryczne generowane przez inne polaryzacje. Przewiduje się, że badany model molekularny jest kulą, a promień kuli jest znacznie większy niż odstęp między atomami. Wpływ polaryzacji molekularnej na zewnątrz, ultradźwiękowy przetwornik piezoelektryczny można traktować makroskopowo jako ciągły ośrodek spolaryzowany. Stopień reakcji na zmianę pola zewnętrznego podczas polaryzacji ośrodka jest reprezentowany przez czas relaksacji τ. Fizyczne znaczenie τ polega na dodaniu stałego pola elektrycznego do dielektryka, usunięciu pola elektrycznego po ustabilizowaniu się polaryzacji i upływie czasu τ, polaryzacji P. Suma wektorów elektrycznego momentu dipolowego w objętości jest zredukowana do 1/e pierwotnej wartości pm, tj. P=Pmetτ. Ponieważ w procesie polaryzacji występuje relaksacja, zmiany D (wektor przemieszczenia), P i E nie są w fazie. D, P będą opóźnione w stosunku do fazy E. Sinusoidalne zmienne pole elektryczne jest reprezentowane przez liczbę zespoloną. Aby zmierzyć widmo dielektryczne ceramiki piezoelektrycznej, w tym eksperymencie brzęczyk wykonany z ceramiki piezoelektrycznej umieszcza się pomiędzy dwiema okrągłymi arkuszami elektrod, a częstotliwość kątową dodaje się do arkusza elektrody i napięcia sinusoidalnego ω.