Печать
Опубликовано: 11 декабря 2014 11 декабря 2014
Просмотров: 5604 5604

 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. Гросс (Gross, 1949) впервые объяснил такое поведение электретов (рис. 2) как взаимодействие между поверхностными гетерозарядами, обусловленными объемной поляризацией и имеющими знак, противоположный знаку прилегающего электрода при поляризации, и гомозарядами, обусловленными свободными зарядами и имеющими тот же знак, что и знак прилегающего электрода.

 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. Далее электрод удаляется (стадия В), гомозаряд восстанавливает внутреннее поле в том же направлении, что и начальное поляризующее поле, нарастает объемная поляризация, вызывающая появление гетерозаряда, в то же время гомозаряд уменьшается под действием собственного поля. Когда электрод прикладывается снова (стадия Г), поляризация опять уменьшается.

 

 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. Типичные значения постоянной времени τ в уравнении спада поверхностного заряда qе=q0eхр(-t/τ) приведены в табл. 1 для полиэтилентерефталата (ПЭТ) и фторированного этиленпропиленового сополимера (ФЭП).

Таблица 1. Постоянная времени τ спадания заряда электрета

Полимер

Постоянная времени τ, годы

Гомозаряд

Гетерозаряд

ПЭТ
ФЭП

1.5
50

0.5
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.

 Литература:

1.      Блайт Э.Р., Блур Д. Электрические свойства полимеров. Физматлит – 2008 - 378 с.