Studie om polarisationsegenskaper hos piezoelektrisk keramik

Som ett nytt material som har dykt upp de senaste åren, piezoelektrisk keramik används i stor utsträckning vid tillverkning av elektroniska produkter och laboratorieforskning. Variationen av dielektricitetskonstanten för piezoelektrisk keram är nära relaterad till dess strukturella egenskaper och polarisationssätt. Att studera egenskaperna hos dess polarisationsläge har därför en hög referens för en djupare förståelse och forskning om de nya materialen som piezoelektrisk keramik. Polarisationssättet för piezoelektrisk keramik analyserades genom experiment, och polarisationsläget för piezoelektrisk keramik förutspåddes under tillståndet av externt alternerande elektriskt fält. Det dielektriska spektrumet mättes med en elektrisk spektrometer, och den tidigare förutsägelsen verifierades av det mätande dielektriska spektrumet och analyserades.

Polarisation och dielektriska parametrar för piezoelektriska keramiska kristaller är mestadels dielektriska kristaller, även kända som dielektrika. Under inverkan av ett externt elektriskt fält kommer dielektrikerna att reagera på det externa elektriska fältet på det induktiva sättet. En viss mängd laddning uppträder i kroppen eller på ytan. Detta fenomen kallas polarisering. Elektrodeisering representeras av en makroskopisk polarisationsvektor P, som är lika med vektorsumman av de elektriska dipolmomenten per volymenhet. Om lika många laddningar som lämnar ett avstånd under inverkan av ett elektriskt fält, som representerar det elektriska dipolmomentet för laddningssystemet, och riktningen av l riktas av den negativa laddningen till den positiva laddningen. Kärnan i polariseringen av dielektrikumet i det externa elektriska fältet är att laddningen utgör dielektrikumet som har en makroskopisk förskjutning under inverkan av det externa elektriska fältet. Den positiva laddningen kommer att förskjutas längs kraftledningen, och den negativa laddningen kommer att förskjuta den omvända kraftledningen, det får dielektrikumet att generera ett makroelektriskt dipolmoment. Inom ett visst område är polarisationen P proportionell mot det externa elektriska fältet EP = ε0xE, och x kallas polarisationshastigheten. Från den mikroskopiska mekanismanalysen finns det tre sätt att generera dielektrisk polarisation, nämligen elektronförskjutningspolarisation används för förskjutningspolarisation och orienteringspolarisering av polära molekyler.Oavsett om polariseringen faktiskt inträffar kan resultatet tillskrivas bildandet av en elektrisk dipol i mediet, som kan karakteriseras av den elektriska molens eller dipolens moment. Storleken på μ bestäms inte bara av det makroskopiska elektriska fältet E, utan också av det elektriska fältet som genereras av de intilliggande molekylerna. Summan av de två kallas det effektiva fältet Ei. I formeln μ = αEi kallas α för en molekyls eller en atoms polariserbarhet, och det är en mikroskopisk fysikalisk storhet som beskriver en molekyls polarisationsegenskaper.

1.1 Elektronförskjutningspolarisation

Under inverkan av ett externt elektriskt fält kommer elektronmolnet i atomerna och jonerna som utgör dielektrikumet att förvrängas, vilket gör att elektronmolnet rör sig i förhållande till kärnan, vilket genererar ett elektriskt dipolmoment. Denna polarisation kallas förskjutningspolarisering av elektroner. Elektronförskjutningspolarisering är en form av polarisering som alla dielektrika har. En elektrons förskjutningspolarisering indikerar att på grund av påverkan av det yttre elektriska fältet kommer elektronen att ha en viss sannolikhet att absorbera energi och övergå mellan motsvarande energinivåer. Eftersom de yttre elektronerna är svagt bundna av atomer, kommer elektronförskjutningen av atomer huvudsakligen från valenselektroner. Elektronens förskjutningspolariserbarhet representeras av αe, och det antas att den aktuella molekylen är en sfär, som beräknas av en punktladdning sfär piezo keramisk modell och en cirkulär bana modell.

Jonförskjutningspolarisation

Orienteringspolarisering av det inre elektriska dipolmomentet

Om molekylen utgör dielektrikumet som är en polär molekyl, vars positiva laddningscentrum inte sammanfaller med mitten av den negativa laddningen, har den ett inneboende elektriskt dipolmoment. I frånvaro av ett externt elektriskt fält, eftersom det elektriska dipolmomentet för de termiska rörelsens dielektriska molekyler av piezoelektrisk keramisk komponent är rumsligt oordnad, sannolikheten för att peka i alla riktningar är densamma och de molekylära elektriska dipolmomenten tar ut varandra. Därför har dielektriket som helhet inget elektriskt dipolmoment. När ett externt elektriskt fält appliceras påverkas de positiva och negativa laddningarna av den molekylära elektriska dipolen av den elektriska fältkraften, och det finns en tendens att peka mot riktningen för det externa elektriska fältet, eller så måste de hållas i ett stabilt tillstånd, så att systemets energi minimeras, och det är nödvändigt att peka i riktningen för det externa elektriska fältet. Eller precession kring ett externt elektriskt fält. Enligt statistisk teori är antalet partiklar vid energi E proportionell mot e=-EkT. Enligt detta kan polariserbarheten ad för orienteringspolarisationen för den dielektriska molekylen beräknas. Dd=μ2 .I 3kT-formeln är μ det molekylära inre elektriska dipolmomentet, k är Boltzmann-konstanten och T är temperaturen.

Molekylens totala polariserbarhet α kan betraktas som summan av polariserbarheten för olika mekanismer α = αe + αa + αd. Om antalet molekyler per volymenhet är N, kan den makroskopiska polarisationsvektorn P korreleras med den mikroskopiska molekylära polariserbarheten α. P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi, så det effektiva elektriska fältet Ei som uppfattas av varje molekylär polarisation i det dielektriska konstantmediet skiljer sig från det makroskopiska genomsnittliga elektriska fältet E. För en molekyl påverkas den inte bara av E, utan också av det elektriska fältet som genereras av andra polarisationer. Man förutser att den undersökta molekylmodellen är en sfär, och sfärens radie är mycket större än atomernas avstånd. Inverkan av molekylär polarisering utanför, den piezoelektrisk ultraljudsgivare kan behandlas som ett kontinuerligt polariserat medium på ett makroskopiskt sätt. Gradsvaren på förändringen av det yttre fältet under polariseringen av mediet representeras av relaxationstiden τ. Den fysiska innebörden av τ är att lägga till ett konstant elektriskt fält till dielektrikumet, ta bort det elektriska fältet efter att polarisationen stabiliserats, och att passera tiden τ, polarisationen P . Summan av de elektriska dipolmomentvektorerna i volymen reduceras till 1/e av det ursprungliga pm, dvs P=Pmetτ. Eftersom det finns relaxation i polarisationsprocessen, är D (förskjutningsvektor), P- och E-förändringar inte i fas. D, P kommer att ligga efter fasen av E. Det sinusformade elektriska växelfältet representeras av ett komplext tal. För att mäta det dielektriska spektrumet för den piezoelektriska keramen placeras i detta experiment en summer gjord av piezoelektrisk keramik mellan två cirkulära elektrodskivor, och vinkelfrekvensen läggs till elektrodskivan och sinusformad spänning på ω.