Электрет

Электрет » (образованный как комбинация слов « электр- от « электричество » и «-et» от « магнит ») представляет собой диэлектрический материал, который имеет квазипостоянную электрическую поляризацию . Электрет имеет внутренние и внешние электрические поля и является электростатическим эквивалентом постоянного магнита .

Термин «электрет» ввёл Оливер Хевисайд. ^[1] для материала (обычно диэлектрика ), который имеет электрические заряды противоположного знака на своих концах. ^[2] Некоторые материалы с электретными свойствами уже были известны науке и изучались с начала 1700-х годов. Одним из примеров является электрофор — устройство, состоящее из пластины с электретными свойствами и отдельной металлической пластины. Электрофор был первоначально изобретен Йоханом Карлом Вильке в Швеции в 1762 году. ^[3] и улучшен Алессандро Вольтой в Италии в 1775 году. ^[4] Первый задокументированный случай производства был произведен Мототаро Эгути в 1925 году. ^[5] который плавит подходящий диэлектрический материал, такой как полимер или воск, содержащий полярные молекулы, а затем позволяет ему затвердеть в мощном электрическом поле. Полярные молекулы диэлектрика ориентируются в направлении электрического поля, образуя дипольный электрет с постоянной поляризацией . Современные электреты иногда изготавливаются путем внедрения избыточных зарядов в диэлектрик с высокими изолирующими свойствами, например, с использованием электронного луча , коронного разряда , инжекции из электронной пушки , электрического пробоя через зазор или диэлектрического барьера. ^[6]^[7]

Электретные типы

Существует два типа электретов:

Электреты с реальным зарядом , которые содержат избыточные свободные заряды, такие как электроны или электронные дырки одной или обеих полярностей, которые могут перемещаться либо ^[8]
- на поверхности диэлектрика ( поверхностный заряд )
- в объеме диэлектрика ( объемный заряд )
- Электреты пространственного заряда ^[9] с внутренними биполярными зарядами, известными как ферроэлектреты . ^[10]
Электреты с ориентированными диполями содержат ориентированные (выровненные) диполи. Они содержат на своей поверхности связанные заряды , которые не могут свободно перемещаться. ^[11] Они подобны сегнетоэлектрикам и всегда состоят из материалов, которые не обладают инверсионной симметрией и поэтому также проявляют пьезоэлектричество .

Сходство с магнитами

Электреты, как и магниты, являются диполями. Еще одним сходством являются поля: они создают электростатическое поле (в отличие от магнитного поля ) вне материала. Когда магнит и электрет находятся рядом друг с другом, происходит довольно необычное явление: пока они неподвижны, ни один из них не оказывает никакого влияния друг на друга. Однако, когда электрет перемещается относительно магнитного полюса, ощущается сила, действующая перпендикулярно магнитному полю, толкающая электрет по траектории на 90 градусов в ожидаемом направлении «толкания», как если бы он ощущался с другим магнитом.

Сходство с конденсаторами

Существует сходство между электретом и диэлектрическим слоем, используемым в конденсаторах ; разница в том, что диэлектрики в конденсаторах имеют индуцированную поляризацию, которая является лишь временной и зависит от потенциала, приложенного к диэлектрику, в то время как диэлектрики с электретными свойствами демонстрируют квазипостоянное накопление заряда или поляризацию. Некоторые материалы также проявляют сегнетоэлектричество (т.е. реагируют на внешние поля гистерезисом поляризации ). Сегнетоэлектрики могут постоянно сохранять поляризацию, поскольку они находятся в термодинамическом равновесии и поэтому используются в сегнетоэлектрических конденсаторах . Хотя электреты находятся только в метастабильном состоянии , те, что изготовлены из материалов с очень низкой утечкой, могут сохранять избыточный заряд или поляризацию в течение многих лет. Электретный микрофон — это тип конденсаторного микрофона , который устраняет необходимость в поляризационном напряжении от источника питания за счет использования постоянно заряженного материала.

Материалы

Электретные материалы довольно распространены в природе. кварц Например, и другие формы диоксида кремния являются природными электретами. Сегодня большинство электретов изготавливаются из синтетических полимеров , например, фторполимеров , полипропилена , полиэтилентерефталата (ПЭТ) и т. д. Электреты с реальным зарядом содержат либо положительные, либо отрицательные избыточные заряды, либо оба, тогда как электреты с ориентированным диполем содержат ориентированные диполи. Квазипостоянные внутренние или внешние электрические поля, создаваемые электретами, можно использовать в различных приложениях.

Производство

Объемные электреты можно получить путем нагревания или плавления материала с последующим его охлаждением в сильном электрическом поле. Электрическое поле перемещает носители заряда или выравнивает диполи внутри материала. Когда материал охлаждается, затвердевание «замораживает» диполи на месте. Материалами, используемыми для электретов, обычно являются воски , полимеры или смолы . Один из самых ранних рецептов состоит из 45% карнаубского воска , 45% белой канифоли и 10% белого пчелиного воска , которые расплавляют, смешивают и оставляют охлаждаться в статическом электрическом поле напряженностью в несколько киловольт/см. Термодиэлектрический эффект , связанный с этим процессом, впервые описал бразильский исследователь Хоаким Коста Рибейро .

Электреты также могут быть изготовлены путем внедрения избыточного отрицательного заряда в диэлектрик с помощью ускорителя частиц или путем размещения зарядов на поверхности или рядом с ней с помощью высокого напряжения коронных разрядов — процесс, называемый коронной зарядкой . Избыточный заряд внутри электрета затухает по экспоненте. Константа распада материала является функцией относительной диэлектрической проницаемости и его объемного удельного сопротивления . Материалы с чрезвычайно высоким удельным сопротивлением, такие как ПТФЭ , могут сохранять избыточный заряд в течение многих сотен лет. ^{[ нужна ссылка ]} Большинство коммерчески выпускаемых электретов основаны на фторполимерах (например, аморфном тефлоне ), обработанных в виде тонких пленок.

См. также

Ссылки

^ Хевисайд, Оливер (1894). Электротехническая бумага . Макмиллан и компания. стр. 488–493.
^ Гутманн, Ф. (1948). «Электрет» . Обзоры современной физики . 20 (3): 457–472. Бибкод : 1948РвМП...20..457Г . дои : 10.1103/RevModPhys.20.457 . ISSN 0034-6861 .
^ Академия наук (Стокгольм), Королевская Шведская (1762 г.). Труды Шведской королевской академии наук (на шведском языке). Альмквист и Викселл.
^ Панкальди, Джулиано (2005). Вольта: Наука и культура в эпоху Просвещения . Издательство Принстонского университета. стр. Глава 3. ISBN 978-0-691-12226-7 .
^ Эгути, Мототаро (1925). «ХХ. О постоянном электрете» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 49 (289): 178–192. дои : 10.1080/14786442508634594 . ISSN 1941-5982 .
^ Гросс, Б. (1980), Сесслер, Герхард М. (ред.), «Радиационно-индуцированные эффекты накопления заряда и поляризации» , Электреты , Темы прикладной физики, том. 33, Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 217–284, doi : 10.1007/3540173358_12 , ISBN 978-3-540-17335-9 , получено 22 января 2024 г.
^ Цай, Питер П.; Шредер-Гибсон, Хайди; Гибсон, Филипп (2002). «Различные электростатические методы изготовления электретных фильтров» . Журнал электростатики . 54 (3–4): 333–341. дои : 10.1016/S0304-3886(01)00160-7 .
^ Сесслер, Г.М. (1980), Сесслер, Герхард М. (редактор), «Физические принципы электретов» , Электреты , Темы прикладной физики, том. 33, Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 13–80, doi : 10.1007/3540173358_10 , ISBN 978-3-540-17335-9 , получено 22 января 2024 г.
^ Герхард-Мультаупт, Р. (2002). «Меньше может значить больше. Отверстия в полимерах ведут к новой парадигме пьезоэлектрических материалов для электретных преобразователей» . Транзакции IEEE по диэлектрикам и электроизоляции . 9 (5): 850–859. дои : 10.1109/TDEI.2002.1038668 . ISSN 1070-9878 .
^ Чжан, X.; Хилленбранд, Дж.; Сесслер, генеральный директор (2007). «Сегнетоэлектреты повышенной термической устойчивости из наплавленных слоев фторуглерода» . Журнал прикладной физики . 101 (5): 054114–054114–8. Бибкод : 2007JAP...101e4114Z . дои : 10.1063/1.2562413 . ISSN 0021-8979 .
^ Сесслер, Г.М. (1980), Сесслер, Герхард М. (редактор), «Физические принципы электретов» , Электреты , Темы прикладной физики, том. 33, Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 13–80, doi : 10.1007/3540173358_10 , ISBN 978-3-540-17335-9 , получено 22 января 2024 г.

Патенты

Ноулин, Томас Э. и Курт Р. Рашке, патент США № 4 291 245 , «Процесс изготовления полимерных электретов».

Дальнейшее чтение

Ефименко, Олег Дмитриевич (2011). Электростатические двигатели: их история, типы и принципы работы (1-е новое исправленное изд.). Институт исследования честности. ISBN 978-1935023470 .
Ефименко Олег Дмитриевич; Уокер, Дэвид К. (1980). «Электреты». Учитель физики . 18 (9): 651–659. Бибкод : 1980PhTea..18..651J . дои : 10.1119/1.2340651 .
Уокер, Дэвид К.; Ефименко, Олег Дмитриевич (1973). «Объемное распределение заряда в электретах из карнаубского воска». Журнал прикладной физики . 44 (8): 3459. Бибкод : 1973JAP....44.3459W . дои : 10.1063/1.1662785 .
Адамс, Чарльз К. (1987). Природное электричество . ТАБ Книги . ISBN 978-0-8306-2769-1 .
Гросс, Бернхард (1964). Хранение заряда в твердых диэлектриках; библиографический обзор электрета и связанных с ним эффектов . Эльзевир .
Баркер, Р.Х. (1962). «Электреты». Журнал IEE . 8 (93): 413–416. дои : 10.1049/jiee-3.1962.0241 . Дискуссия о поляризации, термоэлектретах, фотоэлектретах и их применении.
Сесслер, Герхард М., изд. (1998). Электреты (3-е изд.). Лапласская пресса. ISBN 978-1-885540-07-2 .

[1] Хевисайд, Оливер (1894). Электротехническая бумага . Макмиллан и компания. стр. 488–493.

[2] Гутманн, Ф. (1948). «Электрет» . Обзоры современной физики . 20 (3): 457–472. Бибкод : 1948РвМП...20..457Г . дои : 10.1103/RevModPhys.20.457 . ISSN 0034-6861 .

[3] Академия наук (Стокгольм), Королевская Шведская (1762 г.). Труды Шведской королевской академии наук (на шведском языке). Альмквист и Викселл.

[4] Панкальди, Джулиано (2005). Вольта: Наука и культура в эпоху Просвещения . Издательство Принстонского университета. стр. Глава 3. ISBN 978-0-691-12226-7 .

[5] Эгути, Мототаро (1925). «ХХ. О постоянном электрете» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 49 (289): 178–192. дои : 10.1080/14786442508634594 . ISSN 1941-5982 .

[6] Гросс, Б. (1980), Сесслер, Герхард М. (ред.), «Радиационно-индуцированные эффекты накопления заряда и поляризации» , Электреты , Темы прикладной физики, том. 33, Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 217–284, doi : 10.1007/3540173358_12 , ISBN 978-3-540-17335-9 , получено 22 января 2024 г.

[7] Цай, Питер П.; Шредер-Гибсон, Хайди; Гибсон, Филипп (2002). «Различные электростатические методы изготовления электретных фильтров» . Журнал электростатики . 54 (3–4): 333–341. дои : 10.1016/S0304-3886(01)00160-7 .

[8] Сесслер, Г.М. (1980), Сесслер, Герхард М. (редактор), «Физические принципы электретов» , Электреты , Темы прикладной физики, том. 33, Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 13–80, doi : 10.1007/3540173358_10 , ISBN 978-3-540-17335-9 , получено 22 января 2024 г.

[9] Герхард-Мультаупт, Р. (2002). «Меньше может значить больше. Отверстия в полимерах ведут к новой парадигме пьезоэлектрических материалов для электретных преобразователей» . Транзакции IEEE по диэлектрикам и электроизоляции . 9 (5): 850–859. дои : 10.1109/TDEI.2002.1038668 . ISSN 1070-9878 .

[10] Чжан, X.; Хилленбранд, Дж.; Сесслер, генеральный директор (2007). «Сегнетоэлектреты повышенной термической устойчивости из наплавленных слоев фторуглерода» . Журнал прикладной физики . 101 (5): 054114–054114–8. Бибкод : 2007JAP...101e4114Z . дои : 10.1063/1.2562413 . ISSN 0021-8979 .

[11] Сесслер, Г.М. (1980), Сесслер, Герхард М. (редактор), «Физические принципы электретов» , Электреты , Темы прикладной физики, том. 33, Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 13–80, doi : 10.1007/3540173358_10 , ISBN 978-3-540-17335-9 , получено 22 января 2024 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]