Электреты – диэлектрики, длительное время сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию, и создающие электрическое поле в окружающем пространстве (электрические аналоги постоянных магнитов). Если вещество, молекулы которого обладают дипольным моментом, расплавить и поместить в сильное электрическое поле, то его полярные молекулы частично выстроятся по полю. При охлаждении расплава в электрическом поле и последующем выключении поля  после затвердевания вещества поворот этих молекул затруднён и они длительное время сохраняют преимущественную ориентацию (от нескольких дней до многих лет). Первый электрет был таким методом изготовлен М. Егучи (М. Eguchi) в 1922 году.

Электретное состояние может возникнуть в диэлектрике в результате действия на него электрического поля, освещения, нагрева, облучения, трения, механической деформации, лазерного луча и т.п., а также различных комбинаций этих факторов. Стабильные электреты получают, нагревая, а затем охлаждая диэлектрик в сильном электрическом поле (термоэлектреты), освещая в сильном электрическом поле (фотоэлектреты), радиоактивным облучением (радиоэлектреты), поляризацией в сильном электрическом поле без нагревания (электроэлектреты) или в магнитном поле (магнетоэлектреты), при застывании органических растворов в электрическом поле (криоэлектреты), механической деформацией полимеров (механоэлектреты), трением (трибоэлектреты), действием поля коронного разряда (короноэлектреты). Общим при этом является то, что диэлектрик в результате указанных воздействий поляризуется и/или заряжается. Возможных комбинаций воздействия, а, следовательно, и методов получения электретного состояния достаточно много. Ограничимся кратким описанием лишь тех методов получения электретов, которые нашли наибольшее применение.

Метод термоэлектретирования сводится к помещению диэлектрика в электрическое поле при некоторой повышенной температуре с последующим охлаждением в этом поле. Первоначально считалось, что полученный таким способом термоэлектрет имеет только дипольную (в крайнем случае, объемнозарядовую) остаточную поляризацию. Дальнейшие исследования показали, что при использовании сравнительно высоких поляризующих электрических полей возможны либо пробои воздушных зазоров между прижимными электродами и диэлектриком, либо инжекция носителей заряда из напыленных электродов в диэлектрик. В основе метода коронного разряда лежит перенос заряда из области электрического разряда в воздушном (газовом) зазоре на поверхность диэлектрика. При этом ионы либо передают свой заряд диэлектрику и возвращаются обратно в воздух, либо проникают в приповерхностную область диэлектрика, где фиксируются ионными ловушками.  При изготовлении короноэлектретов в принципе может нарушаться электронейтральность диэлектрика. Преимуществом коронного электретирования являются простота аппаратуры и высокая производительность (имеются установки непрерывного электретирования полимерной пленки, перематывающейся с одной катушки на другую). Метод коронного разряда на сегодняшний день является наиболее распространенным в производстве пленочных электретов. Метод электретирования электронным пучком заключается в воздействии на диэлектрик электронным пучком, которое приводит к инжекции электронов внутрь материала с образованием отрицательно заряженных слоев. Облучение электронным пучком фторсодержащих полимеров позволяет получать на их основе так называемые радиоэлектреты со временем жизни электретного состояния, достигающим при комнатной температуре десятков лет. Радиоэлектреты, полученные описанным способом, как правило, являются моноэлектретами. Несомненным преимуществом метода является возможность создания необходимого поверхностного распределения заряда электрета путем сканирования электронного пучка. Специальный рисунок поверхностного распределения заряда электрета, во-первых, позволяет, как отмечалось ранее, регулировать толщину области внешних электрических полей электретов и, во-вторых, создавать нужную конфигурацию планарного распределения заряда в электроакустических преобразователях с заданной диаграммой направленности. Для создания фотоэлектретов материалы, обычно фотопроводящие, покрывают с одной или обеих сторон прозрачными электродами (например, тонкие пленки золота или окиси олова) и облучают ультрафиолетовым (иногда видимым) светом в присутствии электрического поля. После выключения света и снятия напряжения в диэлектрике обнаруживается сохраняющаяся со временем поляризация. Выделяют два основных механизма образования фотоэлектретного состояния. Первый – генерация носителей заряда светом за счет перехода электронов из одной разрешенной зоны в другую и их пространственное разделение по толщине диэлектрика под действием внешнего электрического поля. Второй механизм образования фотоэлектретного состояния обусловлен фотоинжекцией носителей заряда из электродов в диэлектрик и их последующим захватом на глубокие ловушки. В последние годы получил развитие новый метод создания фотоэлектретного состояния в диэлектрике путем воздействия лазерным лучом, причем при отсутствие внешнего электрического поля. Суть этого метода заключается в том, что в результате нелинейных эффектов (из-за большой интенсивности света в области действия лазерного луча) в диэлектрике наряду с основной гармоникой электромагнитных колебаний появляется постоянная составляющая электрического поля (так называемое оптическое детектирование). Таким образом, при помощи лазерного луча можно создавать электретное состояние в диэлектрике. Имеются сведения о том, что лазероэлектретное состояние по своей стабильности не уступает короноэлектретному состоянию. Все электреты имеют стабильный поверхностный заряд. Разность потенциалов U и суммарной заряд плоского электрета q (на единицу площади) определяются соотношениями  

где  h – толщина пластины, r – плотность объемного заряда, e – диэлектрическая проницаемость, P_ост – остаточная поляризация,    σ _1,2 – плотности поверхностных зарядов (с обеих сторон пластины).

где время релаксации T обратно пропорционально плотности тока зарядки, а стационарное значение U^ст определяется режимом зарядки (напряжением на коронирующем электроде и регулирующей сетке для короноэлектретов, энергией бомбардирующих электронов при зарядке электронным пучком или напряжением на электродах при зарядке в электрическом поле).

При всех трёх методах зарядки получаются электреты с гомозарядом, знак которого совпадает со знаком бомбардирующих частиц или со знаком прилегающего к поверхности электрода. Как правило, носители заряда разных знаков концентрируются у противоположных сторон пластины (плёнки), так что в целом она электронейтральна  (q = 0). Однако при достаточно высоких температурах и при поляризации в сильном электрическом поле может образовываться и гетерозаряд, чаще всего за счёт скопления у электродов носителей, поступающих из объёма диэлектрика, знак заряда которых противоположен знаку заряда на электродах. Со временем у электретов наблюдается уменьшение заряда, обычно более быстрое в первое время после изготовления. В дальнейшем заряды электретов меняются незначительно в течение длительного времени. При комнатной температуре временная стабильность электретов высока (например, у электретов из политетрафторэтилена время жизни электрета ~10² – 10⁴ лет). С ростом температуры время жизни экспоненциально уменьшается. Увеличение влажности окружающей среды (особенно в присутствии пыли, аэрозолей и других), воздействие ионизирующей радиации и т.п. ускоряют релаксацию зарядов электретов. Релаксация заряда в полимерных электретах зависит от характера контакта их с электродами. При плотном контакте направление тока разрядки соответствует движению носителей заряда в тонких приэлектродных слоях к электродам.Электреты применяют как источники постоянного электрического поля (электретные микрофоны и телефоны, вибродатчики, генераторы слабых переменных сигналов, электрометры, электростатические вольтметры и другие), а также как чувствительные датчики в дозиметрах, устройствах электрической памяти; для изготовления барометров, гигрометров и газовых фильтров, пьезодатчиков и других. Фотоэлектреты используют в электрофотографии.    

 

 

 

Каковы основные области применения электретов? Прежде всего, необходимо упомянуть электроакустические преобразователи, то есть приборы, позволяющие звук преобразовывать в электрический сигнал и наоборот. К ним относятся электретные микрофоны, сурдотелефоны (головные телефоны для слабослышащих), гидрофоны и т.д. Кроме того, на основе электретов изготовляют электромеханические преобразователи (электретные звукосниматели, сенсорные переключатели, ударные датчики и т.д.), электретные воздушные фильтры (искробезопасные, что важно при их использовании, например, в шахтах или деревообрабатывающих цехах). Процессы создания или, наоборот, нейтрализации электретного состояния нашли использование в электрофотографии (например, в ксерографии), электростатической записи информации, электретной дозиметрии (о поглощенной дозе ионизирующего излучения судят по спаду поверхностного электрического заряда электрета). Неожиданное применение электретный эффект нашел в медицине. Оказалось, что искусственные сосуды, если их не обработать в электрическом поле, приводят к повышенной свертываемости крови. Если же внутреннюю поверхность искусственных сосудов зарядить отрицательно (то есть электретировать сосуды), то вероятность тромбоза крови уменьшается. Более того, оказалось, что многие ткани живого организма находятся в электретном состоянии, то есть являются биоэлектретами.

 

В отличие от динамических микрофонов, имеющих низкое сопротивление катушки (несколько кОм), электретный микрофон имеет очень высокое сопротивление (несколько сотен кОм или МОм), что вынуждает подключать их к усилителям с высоким входным сопротивлением. В конструкцию некоторых электретных микрофонов входит предусилитель («преобразователь сопротивления», «согласователь импеданса») на полевых транзисторах или на миниатюрных радиолампах с выходным сопротивлением в единицы кОм. Однако такие микрофоны требуют внешнего источника электропитания.