压电陶瓷极化特性研究

２００２．
作者简介：代伟，男，副教授。工作单位：西华师范大学物理与电子信息学 院。通讯地址：６３７１２０２四川省南充市。
李骏。陈太红。兰小刚，西华师范大学物理与电子信息学院（南充 ６３７００２）。 收稿时间：２００９—１０一１８
（上接第４１页） 故障现象六：检定滑线盘示值误差时出现的故障 例如：检定滑线盘刻度线数字０．０５以前示值很好，
进动。据统计理论，处于能量Ｅ的粒子数与ｅ＝晋成
正比。据此可算得电介质分子取向极化的极化率口ｄ。
知２薪“。
式中：ｔｔ为分子固有电偶极矩，志为玻尔兹曼常量， Ｔ为温度。
分子的总极化率口可以认为是各种机制极化率的 总和Ｏｔ＝％＋Ｃｔａ＋Ｏｔｄ。设单位体积的分子数为Ｎ，则可将 宏观极化强度矢量Ｐ与微观量分子极化率Ｏｔ联系起来。
作者简介：余贤，男，工程师。工作单位：湘潭市计量测试检定所。通讯地 址：４１１２００湖南省湘潭市韶山东路新建村１号。 收稿时间：２００９—１１—０４
万方数据
电梯是一种非常安全的交通工具，只须将良好的管理 和文明的操作相配合，便可享受安全、便利、优质的服务。
作者简介：夏仁敏，女，助理工程师。工作单位：黔东南州锅炉压力容器检 验所。通讯地址：５５６０００贵州省凯里市环城东路８７号。 收稿时间：２００９一ｌＯ—１０
（上接第４０页） 图２是聚氯乙烯薄膜的介电频率谱，从测得的介电
从微观机制上分析，可以有三种方式产生电介质极 化，即电子位移极化，离子位移极化和极性分子的取向极 化。不管在实际上发生何种极化，其结果都可归结为介 质中电偶极子的形成，可用分子或原子的电偶极矩∥来 表征其微观极化特征。弘的大小不仅决定于宏观电场 Ｅ，而且和相邻分子计划产生的电场也有关，起作用的是 两者之和，称为有效场Ｅ。
除了上述管理措施之外，乘客在乘坐电梯的过程中 也应该学会用文明的操作来保障自身的安全。比如，用 呼梯按钮来召唤电梯后，电梯的控制系统会调动电梯来 到呼唤层站。如果你没有按动呼梯按钮而层门大开着， 你切不可闷着头就往里进，必须收住脚步仔细看清了：前 面是轿厢还是万丈深渊；如果你按了呼梯按钮后层门依 然关闭着，请你耐心等待，不要踢门、砸门、撬门或者设法
Ｃ＝￡ｒＣｏ＝￡７正。一ｊ￡＂ｒＣｏ Ｙ＝ｊｗＣ＝ｏｘ＂，Ｃｏ＋ｊｗｅ＇ｒＣｏ 用等效电阻Ｒ的倒数表示导纳的实部，即
。一。１ ｄ一１ ｄ 瓜一雠００Ａ一口Ａ
其中Ｃｏ＝学，而ｄ是与极化有关的交流电导率。
而ｙ的表达式则表明，填充样品的电容器等效于电容
￡７￡ｏ与电阻Ｒ的并联。设来自信号源的正弦电压Ｕｌ
的幅值为‰，通过该电容的复振电流Ｊ，在复振幅电压
打开门锁，也不要在层门前嬉戏打闹以致撞开层门。层 门用关闭的姿态来告诉乘客：它的后面是井道而不是轿 厢。如果乘客用喜剧方式打开了层门，接着就可能有悲 剧发生；乘客进出电梯时千万不要迟缓，不要长时间一脚 踩楼层一脚踩轿厢。把一个完整的身体放在两个空间 里，即意味着把智慧的生命押在了没有生命的智慧上，是 输不起的赌注。万一此时轿厢动起来，后果不堪设想；另 外，在运动的轿厢里不要蹦蹦跳跳，不要乱摁按钮。在电 梯出现意外故障而突然停止运行的情况下，关在轿厢里 的乘客最安全的对策是处变不惊，等待救援。请记住：轿 厢是安全的空间，千方百计用“逃出”轿厢的方法进行自 救是危险的选择。
频率谱曲线看出实验结果与理论猜测吻合。 ３实验的进一步改进
本实验虽然在曲线上表现出了压电陶瓷极化的一些 特性，但是由于实验主要器材ＤＰ一５型介电谱仪自身的 局限，只能测量１０２到１０５ＨＺ的ｅｏ值变化，这只是测量 了从长波到无线电波中短短一小部分区域，而口口的变 化，及大部分陶瓷ａｄ的变化主要发生在微波和红外区 域，而损耗因子ｔａｎａ的峰值也出现在高频部分，故无法 得知弛豫时间ｒ与外加场频率叫的变化关系，这就说明 使用ＤＰ一５型介电谱仪无法进一步了解压电陶瓷内部 结构及其压电特性。为此，应该使用具有更大频率范围 的介电谱仪，对压电陶瓷在超低频、高频等范围内进行测 量，得到ｅ。与ｅｏ的值，从而对压电陶瓷的特性进行更多 更深入的分析。
ｐ。ｐｒ碡ｆ
因为在极化过程中有弛豫现象存在，所以Ｄ（位移
矢量），Ｐ和Ｅ的变化不是同相位的。Ｄ，Ｐ将滞后于Ｅ 的相位。用复数表示正弦交变电场，有
Ｅ＝Ｅ∥“
Ｄ＝Ｄｍｅｉｍ（‘—ｒ）
￡，２两］－－Ｊｍ一如２￡７，一为０
本实验中将以压电陶瓷为材料的蜂鸣器置于两圆形 电极片间，在电极片上加上角频率为ｃｃ，的正弦电压，则 电极的电容Ｃ及导纳ｙ为
ｅ２（ｍ１－Ｉ－优２）
ａ４一ｍｌｍ２（∞３一∞２） １．３固有电偶极矩的取向极化
若组成电介质的分子是极性分子，其正电荷中心与 负电荷中心不重合，它具有固有的电偶极矩。在没有外 电场时，由于热运动电介质分子的电偶极矩在空间上取 向无序，指向各方向的概率相同，分子电偶极矩互相抵 消，因此，电介质作为一个整体，没有电偶极矩。当加上 外电场后，分子电偶极子的正负电荷受电场力作用，有指 向外电场方向的趋势，或者说它们要保持稳定状态，使系 统能量减到最小，就需要指向外电场方向，或围绕外电场
温度不变，介电参数随频率的改变而改变，二者之间的关
系称为介电频率谱。
２压电陶瓷的介电频率谱分析
三种极化方式在不同的电介质中所起的作用可以不
同，有的以某一种为主要，其它为次要。可以在此理论基 础上做一猜测：同一种电介质，当外电场是交变电场时，
万方数据
根据三种极化方式由模型给出的定义可以看出。
。
％２４ｎ￡ｏＲ３
ｅｒ’
５．Ｅ·．ｃ哼广——————————————————————————————————一
、
Ｉ
＼
图１压电陶瓷介电频翠谮
从图１中可以看出当外加正弦交变电场时，忽略损 耗下，ｅ，的值的确按照所猜测的规律，随频率的增大而
减小。但是，曲线中间有一段近似平坦的部分，这看似与 所猜测的结果相背。但是如果考虑到，随外电场频率增 大，固有电偶极矩的取向迟缓而不能跟上电场的变化，反映
口口。—ｍｅｌ２ｒｎ（２（ｍａ—ｌ＋Ｊ２ｍ０－２（）０２）
２齑比２
ａｄ
因为∞和卢都会随着外场的变化而变化，故口口和
口ｄ会随外加电场频率的增大而逐渐减小。由
￡，一１ Ｍ
￡，＋２ ３ｅｏ
墓◆ 可知ｅ，与口成正比，故ｅ，也会随着外场频率的变
大而减小。 为了验证理论上的猜测，利用ＤＰ一５型介电谱仪测
量压电陶瓷蜂鸣器的介电谱，测得的谱线如图１：
４应用 压电陶瓷作为一种物理和化学上的新材料，在电子
工程、材料工程及声光等领域上有着重要应用意义。对 压电陶瓷介电谱的研究可以对其压电性、内部结构、极化 方式有更深的认识，尤其是其极化方式。在本实验中使 用的对物质极化特性提出研究模型和对图象的预测等方 法在今后的实验研究中值得进一步推广与应用。
参考文献 ［１］张福学，王丽坤．现代压电学［Ｍ］．北京：科学出版社，２００１． ［３］张福学．压电学［Ｍ］．北京：科学出版社，２０００。 ［３］潘元胜，冯璧华，于瑶．大学物理实验［Ｍ］．南京：南京大学出版社，
１电介质的极化与介电参数 压电晶体多是介电晶体，又称电介质。在外电场的
作用下，电介质将以感应的方式对外电场作出反应。在 其体内或表面出现一定量的感应电荷，这种现象称为电 极化。电极化是用宏观极化强度矢量Ｐ来表示的，Ｐ等
于单位体积内电偶极矩的矢量和。若等量异号电荷ｑ 在电场作用下离开一段距离ｌ，则口ｆ表示该电荷系统的 电偶极矩，ｚ的方向是由负电荷指向正电荷。电介质在 外电场中极化的实质是构成电介质的电荷在外电场的作 用下有一个宏观的位移，正电荷将沿电力线移位，负电荷 将逆电力线移位，使电介质产生宏观电偶极矩。在一定 范围内，极化强度Ｐ与外电场Ｅ成正比Ｐ＝ＥＯｘＥ，ｚ称 为电极化率。
０．０６时检流计指针突然出现冲击现象，偏转一边，０．０７ 以后又恢复原状。
故障分析： 滑线盘电刷尾部羊毛毡破损使得尾部铜片在刻度线 ０．０６处与滑线电阻相碰，桥路发生变化。
故障排除方法：更换羊毛毡并调整电刷尾部与滑线 电阻间隔距离。
以上是笔者在维修Ｑ丁４４电桥时的点滴心得体会， 总之具体情况需做具体分析，才能排除故障，保证电桥在 正常状态下使用。
代纬等：压电陶瓷极化特性研究
压电陶瓷极化特性研究
Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｓｔｕｄｉｅｓ
代 伟 李 骏 陈太红 兰小刚
（西华师范大学物理与电子信息学院。ｌ匹ｌＪｌＩ南充６３７００２）
摘要：使用ＤＰ－５型介电谱仪，测量由压电陶瓷材料制作的蜂鸣器的介电频率特性，验证理论猜测。实验测出压电陶瓷的极化方式与极化率与外场 频率有关，随着频率的增加，压电陶瓷的离子位移极化率、电介质分子取向极化的极化率将减小，最终表现为相对介电常数减小。实验结果与理论猜 测吻合。 关键词：压电陶瓷；介电常数；弛豫；损耗因素
ｅ： ６Ｅ一１２
、 ５Ｅ—１２
４Ｅ—１２
３Ｅ—１２
２Ｅ—１２ ｌＥ—１２
Ｏ
、
￡’
Ｌ
。
Ｏ
５来自百度文库
１０
１５
Ｉｎｆ
围 ２ 聚氯乙烯薄膜的介电频率谱
（下转第４４页）
《诗ｉｓ测试技拳》２０１０年第３７卷第３期
尽管发生故障时电梯有能力保证乘客安全，但不允许故 障频繁发生。
为了保障电梯在任何时候都不丧失其安全功能，国 家标准ＧＢ７５８８《电梯制造与安装安全规范》不但规定了 安全部件由经批准的机构进行型式试验的认证规定，而 且规定了电梯在交付使用前和重大改装后必须进行的检 验内容；为了保证安全部件在需要动作时不致失效，标准 还规定了反复进行的定期检验。这就使得安全部件既不 轻易动作，又要常备不懈。ＧＢ７５８８是从欧洲标准ＥＮ８１ 转化而来的，我国又把它上升为强制性标准，从而使我国 成了对电梯安全要求最严格的国家。
Ｐ＝Ｎ擅ｆ
Ｐ＝￡ｏ（ｅ，一１）Ｅ＝ＮａＥｉ 所以相对介电常数
ｔ计量与镶ｌ试技术》２０１０年第３７卷第３期
。一１＋—Ｎａ—Ｅｉ
‘７
１。￡ｏＥ
介质中每个分子极化所感受到的有效电场Ｅ与宏 观平均电场Ｅ大小不相同。对一个分子而言，它不但要 受Ｅ的作用，同时也要受其它极化后所产生的电场的影 响。介质极化时响应外场变化快慢的程度用弛豫时间ｒ 表示，ｒ的物理意义是：在电介质上加恒定的电场，当极 化达到稳定之后撤去电场，经过时间ｒ，极化强度ｐ（单 位体积内电偶极距矢量和）降为原来‰的１／ｅ，即
电子的位移极化率用％表示，用点电荷球状负电壳 万方数据
模型和圆周轨道模型计算，有
％＝４７ｃｅｏＲ３
１．２离子位移极化 在外电场作用下，离子性电介质中的正负离子产生
了相对位移，从而电介质产生宏观电偶极矩。这种极化 称为离子位移极化。有一定位移的正负离子之间有力的 相互作用，它们在平衡时将围绕质心振动，故可把它们当 作谐振子处理。离子位移极化率用％表示，设正负离子 质量为ｍ１和优２，∞为其固有谐振频率，有
ｔｕ２ ａＥｉ
式中：ａ为分子或原子的极化率，它是描述分子极化 特征的微观物理量。 １．１电子位移极化
电介质在外电场作用下。构成它的原子、离子中的电 子云将发生畸变，使电子云与原子核发生相对位移，因而 产生了电偶极矩。这种极化叫电子的位移极化。电子位 移极化是所有电介质都具有的一种极化方式。电子的位 移极化表示由于外电场的影响，电子将有一定的概率吸 收能量并在相应的能级之间跃迁。由于外层电子受原子 的束缚弱，因此原子的电子位移化主要来自价电子。
Ｕ＝Ｕ，∥乒中，当时仇＝０时，为
Ｉ＝Ｕ。Ｙ＝Ｉ‘＋ｊＩ。 Ｊ７ ２ ｏｘｒ＂ｃｏＵｓｍ ，”２ ｃ瞳ｒ＂Ｃ０ Ｕ：￥１ｎ 电流Ｊ的实部Ｊ７在极化过程中做功，而虚部Ｊ”不做 功，相对介电常数的虚部￡”反映了极化过程中能量的损 耗。定义ｔａｎ艿为损耗因数，那么
协艿：善：季：—弓
』
ｅ ｒ（眶０ｅ ７
介电参数ｅ７，ｅ”和ｔａｌｌ占与场的频率和温度有关，当
在ａｄ值不断减小。若ａｄ值可能小到可忽略时，这时的口 只是％与的ａｄ和。而％因为压电陶瓷结构本身的缘故， 处于红外频区的ｃｃＪｏ在相对低频时远远大于∞，故不受大影
响，此时￡ｒ自然呈现—平稳段，表现在曲线上便是下降斜率
近似为零。之后，随着频率的继续增大，％开始明显减小，
表现在曲线上便是下降斜率便大。为了印证我们对图谱的 分析，我们可以参照其它的样品来验证理沦猜测。