Feroelectricitatea cristalelor ceramice piezoelectrice

Polarizarea unor dielectrici este foarte specială. Într-un anumit interval de temperatură, constantele lor dielectrice nu sunt constante, dar variază în funcție de intensitatea câmpului, iar după îndepărtarea câmpului electric extern, acești dielectrici nu sunt neutri. Există polarizare reziduală. Pentru a fi analog cu faptul că materialele feromagnetice pot rămâne magnetizate, această proprietate a traductorul piezo-ceramic este adesea denumit feroelectricitate. Un dielectric feroelectric se numește feroelectric. Printre acestea, ceramica de titanat de bariu (BaTiO3), tartratul de sodiu și potasiu un singur cristal (NaKC4H4O6⋅H2O) și altele asemenea sunt cele mai proeminente. Feroelectricii vor prezenta histerezis în timpul procesului de electrodepunere. Bucla de histerezis arată că polarizarea dintre corpul feroelectric și câmpul electric aplicat este neliniară, iar polarizarea este inversată pe măsură ce câmpul electric extern este inversat. Inversia de polarizare este rezultatul inversării domeniului, astfel încât bucla de histerezis indică prezența domeniilor în feroelectric. Așa-numitele domenii sunt regiuni mici în care direcțiile de polarizare spontană în feroelectrice sunt uniforme, iar domeniile. Granița dintre ele se numește peretele domeniului. Cristale feroelectrice de Produsele ceramice piezoelectrice sunt de obicei multi-domenii, polarizarea spontană în fiecare domeniu are aceeași direcție, iar polarizarea spontană în diferite domenii este puternică.

Pentru feroelectricii policristalini, nu există o regularitate între orientările relative ale polarizării spontane în diferitele domenii pentru întregul policristal datorită arbitrarului complet al orientării axelor cristalului dintre granule.
Feroelectricii, în general, nu formează în mod spontan domenii unice, dar cristalele cu mai multe domenii pot fi monodomainizate sub un câmp electric extern puternic. Sub acțiunea unui câmp electric extern puternic, volumul domeniului polarizării spontane în cristalul multi-domeniu paralel sau aproape de direcția câmpului extern se va extinde rapid datorită formării de noi nuclee de domeniu și mișcării pereților domeniului, iar volumul domeniului în alte direcții va scădea rapid. Micul dispare, ceea ce transformă întregul cristal într-un singur domeniu. Sub acțiunea câmpului electric extern, procesul dinamic al mișcării noului nucleu al domeniului și al peretelui domeniului se numește proces de inversare a domeniului. Această inversare are unele caracteristici de histerezis, astfel încât feroelectricul prezintă bucla de histerezis menționată mai sus.

Considerând un singur cristal piezo, presupunem că orientarea polarizării spontane are doar două posibilități. Este pozitivă și negativă de-a lungul unei anumite axe a cristalului; direcția câmpului electric extern este paralelă cu axa de polarizare. Când câmpul electric extern este zero, polarizarea domeniilor adiacente din cristal este opusă, iar momentul electric total al cristalului este zero. Când câmpul electric extern crește treptat, volumul domeniului direcției de polarizare spontană opusă direcției câmpului electric va scădea treptat datorită inversării domeniului, iar acele domenii au aceeași direcție în care câmpul electric se va extinde treptat, astfel încât cristalul să fie în direcția câmpului extern. Intensitatea crește odată cu creșterea câmpului electric. Când câmpul electric al Elementul disc piezoelectric crește suficient pentru a inversa toate domeniile inverse din cristal în câmpul extern, cristalul devine un singur domeniu, polarizarea cristalului ajunge la saturație, iar apoi câmpul electric crește. Polarizarea va crește liniar cu câmpul electric (la fel ca polarizarea unui dielectric tipic) și va atinge o valoare maximă Pmax, care este o funcție a câmpului electric de cea mai mare polarizare. 

Când porțiunea liniară este extrapolată la câmpul electric zero, interceptarea rezultată Ps pe axa verticală se numește polarizare saturată, care este de fapt polarizarea spontană a fiecărui domeniu. Când câmpul electric începe să scadă de la C, polarizarea va scădea treptat de-a lungul curbei CB. Când câmpul electric al componenta ceramică piezoelectrică este redusă la zero, polarizarea scade la o anumită valoare Pr, care se numește polarizare reziduală a feroelectricului. Când câmpul electric își schimbă direcția și crește la Ec în direcția negativă, polarizarea scade la zero, câmpul electric invers continuă să crească, iar polarizarea este inversată. Ec se numește intensitatea câmpului coercitiv al feroelectricului. Pe măsură ce câmpul electric invers continuă să crească, polarizarea continuă să crească în direcția gradientului negativ și atinge o valoare de saturație (-Pr) în direcția negativă, iar traductorul piezoelectric cu ultrasunete devine un cristal cu un singur domeniu care are o polarizare negativă. Dacă câmpul electric se schimbă continuu de la o valoare negativă mare la o valoare pozitivă ridicată, domeniul pozitiv începe să se formeze și să crească din nou până când întregul cristal devine din nou un cristal cu un singur domeniu cu polarizare directă. În timpul acestui proces, polarizarea este returnată la punctul C de-a lungul porțiunii FGH a liniei de întoarcere. Astfel, sub acțiunea unui câmp electric alternativ mare, câmpul electric se modifică cu o săptămână, iar procesul de mai sus se repetă o dată, arătând bucla de histerezis prezentată. Zona delimitată de linia de retur este energia necesară