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強誘電体のエネルギー特性

コンデンサ材料としてチタン酸バリウムが使われている。それは強誘電体と言われるセラミックスである。チタン酸バリウム(セラミックスの基礎)にその特性として、誘電性、焦電性および圧電性の意味が解説されている。特に圧電性の具体例として、電子ライターの点火現象に興味を持った。

主な3つの特性を合わせ考えると、基本的には『エネルギー』で統一して捉えることが出来よう。『電荷』否定と『エネルギー』による統一解釈を探って。

%e5%bc%b7%e8%aa%98%e9%9b%bb%e4%bd%93%e7%89%b9%e6%80%a7強誘電体特性 チタン酸バリウムのような強誘電体はその存在する空間のエネルギー(電気、熱および衝撃圧力)によってその内部貯蔵エネルギーが変化する現象であると統一的に捉えることが出来よう。電気も温度も圧力もその基本量は『エネルギー』で単位はジュールである。

電子ライターの着火特性 全くの素人で、セラミックコンデンサは昔多く利用したが、強誘電体の物理的特性など考えた事もない。しかし先日コンデンサのエネルギー貯蔵特性で、磁気ループで解釈しようかと考えたが、この強誘電体特性の意味を知ってから、磁気ループでの解釈は無理であろうと考え直した(2019/06/14追記)何故このように磁気ループが無理と考え直したか意味が理解できない。前の記事で、エネルギー貯蔵の空間的壁とその解放がこの強誘電体の解釈に巧く当てはまると考えた。電子ライターの着火現象は衝撃圧力エネルギーによって、セラミックスの格子構造が変化し、その貯蔵エネルギーの許容量が変わるために余分なエネルギーが火花として解放される現象と捉えたい。その意味を実験的に確認する方法として考えることがある。着火現象は環境の温度によって影響を受ける筈だ。衝撃圧力で放射されたエネルギーは常温ならすぐに回復し、次の火花放射に備えられる。しかし温度が零下で低くなれば、貯蔵エネルギーも量的に少なくなると観る。温度特性に火花放電の影響が現れる筈だ。

ソーヤータワー回路の謎

電気回路要素にコンデンサがある。コンデンサにも多種多様な物がある。コイルにも鉄心入りと空心でエネルギー貯蔵特性が大きく異なる。コンデンサの場合も、その誘電体(絶縁体)の材料により大きく特性が異なる。その誘電体内に『エネルギー』が貯蔵される訳であるから(電荷による分極論の意味を理解できない)、誘電体分子の構造がその『エネルギー』貯蔵に特徴を示す筈である。そんな事から誘電体の分子空間構造を検索したら、ソーヤータワー回路に辿り着いた。今まで聞いた事もない回路名だ。誘電分極と磁気ループの話の途中に出会った。

ソーヤータワー回路

ソーヤータワー回路ソーヤータワー回路 コンデンサCが強誘電体という材料のコンデンサらしい。その特性をリサジュー図形としてオッシロスコープで観測する手法のようだ。この回路とそのリサジュー図形を見て驚いた。二つのコンデンサが直列に繋がれた回路に交流電圧を掛けると磁気ヒステリシス曲線と同じリサジュー図形が観測されると言うことのようだ。そんな電気理論は筆者の頭の中の電気回路理論体系と整合しないのである。そこでこの回路の原理は?と検索してみた。幾つかの意味を尋ねる質問があり、それに答える回答者もいる。しかしその回答内容も理解できないものだけである。ソーヤータワー回路と命名されているから、誘電体特性の評価判定技術として利用されているのだろう。オッシロスコープのリサジュー図形がヒステリシス特性を示すと言う事は、決して電気回路のコンデンサ特性には表れない現象である。強誘電体がコンデンサ回路とは異なる特性機能を持っているから観測される結果であることを示している。そこでそんなヒステリシス特性を示すにはどんな入力信号であろうかと考えてみた。

ヒステリシスリサジュー図形 幾つかの波形例を挙げてみた。リサジュー図形とオッシロスコープの入力信号との関係を簡単に示したい。

周期波形例波形例 周期関数の正弦波y0=sin ωtを基準波形として、オッシロスコープの時間軸(横軸)掃引波形とする。

リサジュー図形

波形とリサジュ―図形リサジュー図形例 上の波形例のそれぞれをオッシロスコープの縦軸入力信号とした場合のリサジュー図形を示した。ソーヤータワー回路の観測例に近い波形は④の場合が相当しよう。ソーヤータワー回路のコンデンサC0の電圧v0が相当特殊な波形でないと④のヒステリシス図形は得られない筈だ。実際のソーヤータワー回路の実験回路では、電源電圧周波数や電圧値等幾つもの条件を満たす必要があるだろう。しかもy入力信号の電圧v0は小さい値であろう。

動作波形例(想定図) オッシロスコープに見られるリサジュー図形になるには、y軸入力信号波形は④のような波形の信号でなければならない筈だ。

ソーヤータワー回路の波形想定動作波形 検出y軸入力信号電圧v0から強誘電体コンデンサの電圧波形はほぼ電源電圧に近い波形であるが、v0の電圧分だけ波形ひずみがあると解釈した。電流波形はコンデンサの正弦波形ではない筈だ。ここまでの想定解釈はあくまでも、リサジュー図形を見ての絞り込みの判断である。結論として今のところ、強誘電体の電気特性を判断するだけの知識を持っていないので、謎のままである。ただリサジュー図形の意味は日常の遊び心で理解できるだろうから、その辺から強誘電体の特性をリサジュー図形に照らして考えてみた。科学には日常生活に根ざした遊び心が必要であろう。