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» был придуман Оливером Хевисайдом [1] для обозначения материала (обычно диэлектрика ), который имеет на концах электрические заряды противоположного знака. [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 усовершенствован Алессандро Вольтой в Италии в 1975 году. [4] Первый задокументированный случай производства был сделан Мототаро Эгучи в 1925 году [5] , который плавил подходящий диэлектрический материал. например, полимер или воск, который содержит полярные молекулы, а затем позволяет ему затвердевать 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]
Существует два типа электретов:
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.
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.
Электретные материалы довольно распространены в природе. Например, кварц 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.
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 изготовления 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 коронных разрядов высокого напряжения — процесс, называемый коронной зарядкой . Избыточный заряд внутри электрета затухает по экспоненте. Константа распада является функцией относительной диэлектрической проницаемости материала и его объемного удельного сопротивления . Материалы с чрезвычайно высоким удельным сопротивлением, такие как ПТФЭ , могут сохранять избыточный заряд в течение многих сотен лет. [ нужна цитация ] Большинство коммерчески производимых электретов основаны на фторполимерах (например , аморфном тефлоне ), обработанных для получения тонких пленок.
