Электрет | это… Что такое Электрет?
Электретный микрофон
Электре́т — диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации (или заряжению) этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле.
Большое количество используемых материалов, методов внешнего воздействия, технологических приемов для создания поляризованного состояния в диэлектриках обуславливают многообразие проявления электретного эффекта в них.
Современные представления об электретном эффекте основаны на двух типах зарядов в диэлектриках — гетеро- и гомозаряде. Гетерозаряд обусловлен электрической поляризацией в объеме диэлектриков вследствие ориентации диполей, ионной (или электронной) поляризации, а также смещением пространственного заряда. В этом случае отрицательный заряд электрета сосредотачивается у анода, положительный у катода, и возникающее электрическое поле противоположно по направлению полю поляризации.
Гомозаряд обусловлен инжекцией из электродов в диэлектрик носителей зарядов и локализацией их на центрах захвата или рекомбинации электронов и дырок (энергетических ловушках) различной природы. В этом случае у катода располагается связанный отрицательный, а у анода — связанный положительный заряд, и результирующее образующееся поле имеет то же направление, что и поляризующее. Вышеупомянутые ловушки представляют собой энергетические уровни захвата инжектированных носителей заряда в запрещенной зоне диэлектрика или полупроводника.
Существует несколько способов изготовления электретов. Большинство из них основано на том, что диэлектрик помещают в электрическое поле и подвергают дополнительному физическому воздействию, которое уменьшает время релаксации диполей либо ускоряет процесс миграции заряженных частиц. В зависимости от вида физического воздействия различают термо-, электро-, фото-, магнито-, радиоэлектреты и др. Электретное состояние может возникать и без приложения к диэлектрику внешнего электрического поля, например, от механической деформации (механоэлектреты), при заряжении диэлектрика в поле коронного разряда (короноэлектреты), при нагревании полимеров в контакте с электродами из разнородных металлов (металлополимерные электреты), при электризации трением (трибоэлектреты), под воздействием плазмы тлеющего разряда.
Важнейшей характеристикой электретов, определяемой экспериментально, является эффективная поверхностная плотность зарядов (σэф, Кл/м2), равная разности между гомо- и гетерозарядами. Другим параметром, характеризующим свойства электретов, является время релаксации зарядов τр (время уменьшения заряда в e раз). Временем жизни электрета τ
Применение
Существует несколько традиционных областей применения электретов. Они применяются в качестве элементов:
- преобразователей механических, тепловых, акустических (микрофонах), оптических, радиационных и др.
сигналов в электрические (в импульсы тока), - запоминающих устройств,
- электродвигателей,
- генераторов;
- фильтров и мембран;
- противокоррозионных конструкций;
- узлов трения;
- систем герметизации;
- медицинских аппликаторов, антитромбогенных имплантатов
сигналов в электрические (в импульсы тока),См. также
- Электретный микрофон
Источники
- Губкин А. Н. Электреты. М.: Наука, 1978. 192 с.
- Электреты / Под ред. Сесслера Г. — М.: Мир. — 1983. — 487 с.
- Лущейкин Г. А. Полимерные электреты. — М.: Химия. — 1984. — 184 с.
- Пинчук Л. С., Гольдаде В. А. Электретные материалы в машиностроении. — Гомель: Инфотрибо. — 1998. — 288 с.
- Гороховатский Ю. А. Электретный эффект и его применение. // Соросовский образовательный журнал. — 1997. — № 8. — С. 92-98.
- Рычков А. А., Бойцов В. Г. Электретный эффект в структурах поли-мер — металл: Монография. — СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена. — 2000. — 250 с.
- Галиханов М. Ф. Короноэлектреты на основе полиэтиленовых композиционных материалов. // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. № 5(С. 20-29) — 6 (С. 40-45).
Мир современных материалов — Электреты
- Информация о материале
- Опубликовано: 11 декабря 2014 11 декабря 2014
- Просмотров: 12892 12892
Электреты относятся к классу активных диэлектриков и представляют собой материалы, способные после зарядки в электрическом поле долго сохранять электрический заряд.
Использовать постоянную поляризацию в качестве электрического аналога магнита впервые предложил Хевисайд. Он же придумал слово «электреты» и предсказал их практическое применение в качестве удобного и доступного источника электрического поля, не требующего батарей. Первые эксперименты с электретами были выполнены Егучи, который взял карнаубский воск, расплавил его, а затем поляризовал и охладил в сильном электрическом поле.
При этом он ожидал, что смещенные заряды и ориентированные диполи окажутся заморожены и у соответствующих электродов появятся положительные и отрицательные поверхностные заряды. Эти заряды периодически им измерялись (рис. 1).
Рис. 1. Рассеченный конденсатор: оба электрода прилегают к электрету и замкнуты на землю (а), верхний электрод отсоединяется от земли и удаляется от электрета (б)
При измерениях электрет помещается между закороченными пластинами конденсатора и его поверхностные заряды индуцируют равные заряды противоположного знака на прилегающих электродах. Затем верхний электрод изолируется и удаляется и измеряется его заряд.
Егучи обнаружил, что если электрет хранится в условиях экранирования его поверхности металлическими пластинами, то величина поверхностного заряда постепенно уменьшается, меняет знак, а затем вновь возрастает до некоторого постоянного значения, имеющего знак, противоположный первоначальному заряду. Если после этого электрет оставался некоторое время не экранированным, заряд уменьшался, но при экранировании частично восстанавливался.
Происхождение гомозарядов объясняется следующим образом. При увеличении объемной поляризации в начале зарядки (стадия А) поле в зазоре между диэлектриком и электродом увеличивается до тех пор, пока не происходит пробой воздушного промежутка, при котором осаждаются ионы того же знака, что и потенциал электрода. При дальнейшей поляризации происходят повторные разряды, еще больше увеличивающие гомозаряд. В конце поляризации на поверхностях диэлектрика существует смесь гетеро- и гомозарядов.
Любой детектор плотности поверхностных зарядов показывает их алгебраическую сумму. По окончании поляризации и закорачивания прикладываются экранирующие электроды (стадия Б), при этом внутреннее поле в диэлектрике значительно уменьшается, так что объемная поляризация снижается, а индуцированный гетерозаряд спадает и остается только гомозаряд.
Рис. 2. Типичное поведение электрета на различных стадиях: А – поляризация внешним полем; Б — электроды закорочены;
В — верхний электрод удален; Г—электрет вновь экранирован.
Из приведенною выше анализа поведения электретов ясно, что спад гетеро- и гомозарядов можно исследовать по отдельности, проводя измерения на стадиях Б и В. Кроме того, поскольку дипольная релаксация и проводимость, ответственные за спад гетеро- и гомозарядов в электретах, являются термически активированными процессами, то можно ускорить проведение измерений. Температурную зависимость времени спада можно определять при повышенных температурах, когда это время мало, и по полученной энергии активации путем экстраполяции находить значение для комнатной температуры.
Таблица 1. Постоянная времени τ спадания заряда электрета
|
Полимер |
Постоянная времени τ, годы |
|
|
Гомозаряд |
Гетерозаряд |
|
|
ПЭТ |
1.5 |
0.5 |
Из приведенных данных можно сделать вывод, послуживший основой для создания электретов с долговременной стабильностью, что время жизни гомозарядов гораздо больше, чем гетерозарядов.
Тонкие (12 мкм) пленки ФЭП. Металлизированные с одной стороны, заряжают непосредственным внедрением электронов, используя пучок электронов низкой энергии (10-40 кэВ). Подбором энергии электронов добиваются того, чтобы средняя глубина проникновения равнялась половине толщины пленки.
Для оценки глубины ловушек, в которые попадают заряды (мера стабильности электрета относительно термораспада), можно использовать метод термостимулированной деполяризации (ТСД), при котором электроды с обеих сторон электрета присоединяются к чувствительному измерителю тока, а образец медленно нагревается с постоянной скоростью (например, 1°С×мин-1). На зависимости тока от температуры наблюдаются дискретные пики, по мере того как высвобождаются заряды из все более глубоких ловушек (рис. 3) Дипольная релаксация также приводит к появлению пиков в спектрах ТСД.
Рис. 3. Спектр тока термостимулированной деполяризации фольгированного ФЭП-электрета (алюминий с одной стороны) сразу после поляризации: 1 — заряд электрическим разрядом; 2 — заряд электрическим пучком.
Скорость нагрева 4 °С×мин-1.
Плотность заряда в электретах может достигать величины 1 мКл×м2, а время разряда превышать 20 лет. В основном, такие электреты используются в электретных микрофонах, конструкция которых изображена на рис. 4. Электретная пленка образует диафрагму, на которую попадают звуковые волны. При колебании пленки меняется электрическое поле между электретом и противоэлектродом и в цепи появляется сигнал. В микрофон обычно встроен предусилитель, состоящий из микросхемы с входным полевым транзистором. Частотная характеристика электретного микрофона сравнима с конденсаторным микрофоном и не требует большого напряжения смещения. Такие микрофоны миниатюрны и выпускаются в больших количествах для телефонов и магнитофонов.
Рис. 4. Схема устройства электретного микрофона:
1 — металлический корпус; 2 — электретная диафрагма (металлизированная снаружи; 3— воздушная камера; 4 — вывод; 5—перфорированный противоэлектрод, поддерживающий элекретную диафрагму..jpg)
Литература:
1. Блайт Э.Р., Блур Д. Электрические свойства полимеров. Физматлит – 2008 — 378 с.
Вас также может заинтересовать:
- Общие сведения о диэлектриках
- Кинетика отверждения
- Слюда и слюдяные материалы
- Сшитый полиэтилен
- Измерение объемного и поверхностного сопротивления твердых диэлектриков
- Назад
- Вперед
Электретов | Whitesides Research Group
ГЛАВНАЯ / ИССЛЕДОВАНИЯ / ПРЕДЫДУЩИЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ИНТЕРЕСЫ /
Зарядка и разрядка катящегося шара
Электреты — это материалы, которые имеют квазипостоянное электрическое поле на своей поверхности из-за дисбаланса заряда на поверхности (электреты пространственного заряда) или из-за выровненных диполей в объеме материала (диполярные электреты). Электреты пространственного заряда легче всего генерируются контактной электризацией. Электростатические свойства электретов использовались во многих областях, включая ксерографию, порошковое покрытие и электростатическое осаждение. Разделение заряда из-за контактной электризации часто приводит к электрическим полям, которые превышают диэлектрическую прочность среды, в которой происходит зарядка (например, ~ 3 МВ / м в воздухе), что может быть достаточно для пробой воздуха вблизи поверхности. Эти разряды могут вызвать повреждение электроники и другого оборудования, воспламенить легковоспламеняющиеся материалы и вызвать взрывы. Нас интересует: i) понимание механизма образования и рассеивания заряда, и ii) использование этого понимания для разработки стратегий либо для предотвращения накопления заряда, либо для контроля места возникновения разряда. Мы разработали инструмент «Rolling Sphere Tool» (RST) (см. рис. 1), впервые описанный в нашей лаборатории Grzybowski, для измерения кинетики контактной электризации между катящимися сферами из нержавеющей стали и изолирующими поверхностями. С помощью этого инструмента мы можем исследовать как зарядку, так и разрядку в одной и той же системе. Используя RST, мы показали, что разделение зарядов связано с переносом ионов между двумя контактирующими материалами.
Самосборка двумерных электростатических кристаллов
Мы используем полимерные сферы миллиметрового размера, которые заряжаются за счет контактной электризации, для моделирования процесса кристаллизации. Например, два разных типа полимерных сфер в соотношении один к одному образуют квадратные решетки. Эти типы сборок могут выполняться в «чистых» системах или в присутствии «растворителя». Мы можем контролировать поведение сборки, изменяя условия перемешивания или коэффициент заполнения контейнера (см. рис. 2).
Бусины на нитке: макроскопическая физическая модель длинноцепочечных молекул.
Модель «бусины на нитке» является краеугольным камнем теоретической науки о полимерах. Мы можем воспользоваться преимуществом освоения электростатических взаимодействий для моделирования других видов взаимодействия: например, водородных связей в биологических полимерах, таких как ДНК или РНК. Мы доказали, что система «бусины на нитке», состоящая из хорошо спланированного чередования противоположно заряженных бусинок, может складываться и приводить к коллапсу, имеющим одинаковую стабильную конфигурацию. Система правильно предсказывает сворачивание последовательности, которая была смоделирована по образцу шпильки РНК длиной 12 единиц. Наш «аналоговый компьютер» имеет несколько преимуществ при изучении нелинейностей и других сложностей, опущенных в теоретической модели (см. рис. 3).
Сборка посредством контактной электрификации
Мы используем полимерные сферы миллиметрового размера, которые заряжаются за счет контактной электризации, для моделирования процесса кристаллизации. Например, мы можем использовать два разных типа полимерных сфер в соотношении один к одному для формирования квадратных решеток. Эти типы сборок могут выполняться в чистых системах или в присутствии растворителя. Мы можем контролировать поведение сборки, изменяя условия перемешивания или коэффициент заполнения контейнера (см. рис. 4).
Электрет | физика | Британика
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- В этот день в истории
- Викторины
- Подкасты
- Словарь
- Биографии
- Резюме
- Популярные вопросы
- Обзор недели
- Инфографика
- Демистификация
- Списки
- #WTFact
- Товарищи
- Галереи изображений
- Прожектор
- Форум
- Один хороший факт
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы. - Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica. - #WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти. - На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории. - Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
- Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д. - Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня. - 100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
