Дослідження поляризаційних характеристик п'єзоелектричної кераміки

Як новий матеріал, який з’явився в останні роки, П'єзоелектрична кераміка широко використовується у виробництві електронних виробів і лабораторних дослідженнях. Зміна діелектричної проникності п’єзоелектричної кераміки тісно пов’язана з її структурними характеристиками та режимом поляризації. Таким чином, вивчення характеристик його режиму поляризації має велике значення для глибшого розуміння та дослідження нових матеріалів, таких як п’єзоелектрична кераміка. Експериментально досліджено режим поляризації п’єзокераміки та передбачено режим поляризації п’єзокераміки за умови зовнішнього змінного електричного поля. Діелектричний спектр був виміряний електричним спектрометром, і попередній прогноз був перевірений за допомогою вимірювання діелектричного спектру та проаналізований.

Поляризаційні та діелектричні параметри кристали п'єзоелектричної кераміки - це переважно діелектричні кристали, також відомі як діелектрики. Під дією зовнішнього електричного поля діелектрики будуть реагувати на зовнішнє електричне поле індуктивним чином. У тілі або на поверхні з’являється певний заряд. Це явище називається поляризацією. Електродезація представлена ​​макроскопічним вектором поляризації P, який дорівнює векторній сумі електричних дипольних моментів одиниці об'єму. Якщо рівна кількість зарядів, які залишають відстань під дією електричного поля, що представляє електричний дипольний момент системи зарядів, а напрямок l спрямований від негативного заряду до позитивного заряду. Суть поляризації діелектрика в зовнішньому електричному полі полягає в тому, що заряд, що становить діелектрик, має макроскопічне зміщення під дією зовнішнього електричного поля. Позитивний заряд буде зміщений вздовж лінії електропередачі, а негативний заряд зсуне зворотну лінію електропередачі, це змушує діелектрик генерувати макроелектричний дипольний момент. У певному діапазоні поляризація P пропорційна зовнішньому електричному полю EP = ε0xE, а x називається швидкістю поляризації. З аналізу мікроскопічного механізму існує три способи генерації діелектричної поляризації, а саме поляризація електронного зміщення використовується для поляризації зміщення та поляризації орієнтації полярних молекул. Незалежно від поляризації, яка насправді відбувається, результат можна віднести до утворення електричного диполя в середовищі, який можна охарактеризувати електричним дипольним моментом μ молекули або атома. Розмір μ визначається не тільки макроскопічним електричним полем E, а й електричним полем, створюваним сусідніми молекулами. Сума цих двох називається ефективним полем Ei. У формулі μ = αEi α називається поляризовністю молекули або атома і є мікроскопічною фізичною величиною, що описує поляризаційні характеристики молекули.

1.1 Поляризація зміщення електронів

Під дією зовнішнього електричного поля електронна хмара в атомах і іонах, що утворюють діелектрик, буде спотворюватися, що змушує електронну хмару переміщатися відносно ядра, таким чином створюючи електричний дипольний момент. Ця поляризація називається поляризацією зміщення електронів. Поляризація електронного зміщення є формою поляризації, яку мають усі діелектрики. Поляризація зміщення електрона вказує на те, що внаслідок впливу зовнішнього електричного поля електрон матиме певну ймовірність поглинати енергію та переходити між відповідними рівнями енергії. Оскільки зовнішні електрони слабко зв’язані атомами, електронне зміщення атомів в основному походить від валентних електронів. Зміщена поляризовність електрона представлена ​​αe, і передбачається, що розглядувана молекула є сферою, яка обчислюється точковим зарядом модель сферичної п’єзокераміки та модель кругової орбіти.

Поляризація зміщення іонів

Орієнтаційна поляризація власного електричного дипольного моменту

Якщо молекула становить діелектрик, який є полярною молекулою, центр позитивного заряду якої не збігається з центром негативного заряду, вона має властивий електричний дипольний момент. За відсутності зовнішнього електричного поля, оскільки електричний дипольний момент теплового руху молекул діелектрика п'єзоелектричний керамічний компонент просторово невпорядкований, ймовірність вказівки в усіх напрямках однакова, а електричні дипольні моменти молекул компенсують один одного. Тому діелектрик в цілому не має електричного дипольного моменту. Коли застосовується зовнішнє електричне поле, на позитивні та негативні заряди молекулярного електричного диполя впливає сила електричного поля, і існує тенденція вказувати в напрямку зовнішнього електричного поля, або вони повинні підтримуватися в стабільному стані, щоб мінімізувати енергію системи, і необхідно вказувати на напрямок зовнішнього електричного поля. Або прецесія навколо зовнішнього електричного поля. Відповідно до статистичної теорії кількість частинок при енергії E пропорційна e=-EkT. Відповідно до цього можна розрахувати поляризовність αd орієнтаційної поляризації молекули діелектрика. Dd=μ2. У формулі 3kT μ — власний електричний дипольний момент молекули, k — постійна Больцмана, а T — температура.

Загальну поляризовність α молекули можна розглядати як суму поляризовностей різних механізмів α = αe + αa + αd. Якщо кількість молекул на одиницю об’єму дорівнює N, макроскопічний вектор поляризації P можна співвіднести з мікроскопічною молекулярною поляризовністю α. P=NαEiP=ε0(εr-1)E=NαEi, тому ефективне електричне поле Ei, яке сприймає кожна молекулярна поляризація в середовищі з діелектричною проникністю, відрізняється від макроскопічного середнього електричного поля E. Для молекули на нього впливає не лише E, але й електричне поле, створене іншими поляризаціями. Передбачається, що розглянута молекулярна модель є сферою, а радіус сфери набагато більший за відстань між атомами. Вплив молекулярної поляризації зовні, на Ультразвуковий п'єзоелектричний перетворювач можна розглядати як суцільне поляризоване середовище макроскопічним способом. Ступінь реакції на зміну зовнішнього поля під час поляризації середовища представлений часом релаксації τ. Фізичний сенс τ полягає в додаванні постійного електричного поля до діелектрика, усуненні електричного поля після стабілізації поляризації та проходженні часу τ, поляризації P . Сума векторів електричного дипольного моменту в об’ємі зменшується до 1/e початкового pm, тобто P=Pmetτ. Оскільки в процесі поляризації відбувається релаксація, зміни D (вектора зміщення), P і E не мають фази. D, P буде відставати від фази E. Синусоїдальне змінне електричне поле представлено комплексним числом. Щоб виміряти діелектричний спектр п’єзоелектричної кераміки, у цьому експерименті зумер, виготовлений з п’єзоелектричної кераміки, поміщають між двома круглими пластинами електродів, а кутова частота додається до пластини електрода та синусоїдальної напруги ω.