|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Электретный эффект |
 |
Диэлектрики, сохраняющие свою поляризованность после снятия внешних электрических полей
Описание
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 электрическое поле и последующем выключении поля в затвердевшем веществе 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.
Остаточная поляризация может быть получена также в кристаллическом веществе за счет ориентации в поле так называемой квазидиполей (две вакансии противоположного знака, примесный ион вакансия и тому подобное) или за счёт скопления носителей заряда вблизи электродов. При изготовлении электретов в диэлектрик могут переходить носители заряда из электродов или межэлектродного промежутка. Носители могут быть созданы и искусственно, например облучением электронным пучком. Существуют другие гипотезы о природе электретного эффекта, учитывающие, например, захват носителей заряда на ловушки и взаимодействие между остаточной поляризацией и свободными носителями.
Электреты могут быть получены практически из любых диэлектриков: органических, например полимерных (политетрафторэтилен, полипропилен, поликарбонат, полиметилметакрилат и другие); неорганических – как монокристаллических (кварц, корунд и других), так и поликристаллических (керамика, ситаллы и другие), а также из стёкол. Наиболее стабильны электреты из плёночных фторсодержащих полимеров политетрафторэтилена и его производных, например из сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом.
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 электрич. поле без нагревания (эдектроэлектреты) или в магнитном поле (магнетоэле-ктреты), при застывании органических растворов в электрическом поле (криоэлектреты), механической деформацией полимеров (механоэлектреты), трением (трибоэлектреты), действием поля коронного разряда (короноэлектреты).
Все электреты имеют стабильный поверхностный заряд, разность потенциалов U и суммарной заряд плоского электрета q (на единицу площади) определяются соотношениями
,
,
Здесь h - толщина пластины, ρ - плотность объемного заряда, ε - диэлектрическая проницаемость, Pост - остаточная поляризация, σ1, σ2 плотности поверхностных зарядов (с обеих сторон пластины).
Накопление заряда в полимерных электретах характеризуется экспоненциальным законом изменения U(t):
U(t)= Uст[1-exp(-t/τ)],
где время релаксации τ обратно пропорционально плотности тока зарядки, а стационарное значение Uст 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.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
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.
Электреты могут применяться в самых различных областях науки и техники. Трудно назвать такую область техники, где бы электреты не могли найти применения. Везде, где требуются наличие электрических полей, небольшой вес и размеры приборов и устройств, надежность и простота конструкции, можно успешно использовать электреты.
Реализации эффекта
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. 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 объемно-зарядовую) 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. Понятно, что 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. Воздействие на диэлектрик электронного пучка 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 последующий захват на глубокие ловушки.
В последние годы получил развитие новый метод создания фотоэлектретного состояния в диэлектрике путем воздействия лазерным лучом, причем при отсутствии 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.
Литература
1. Физическая энциклопедия / гл.ред. Прохоров А.М. - М.: Большая российская энциклопедия. 1994.
2. Лукьянец В.А. Физические эффекты в машиностроении. - М.:Машиностроение. 1993
