Электреты

Электретами называют диэлектрики, длительное время сохраняющие электризованное состояния после окончания внешнего воздействия, вызвавшего электризацию. Электреты являются формальными аналогами постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле. Принципиальная возможность получения таких материалов была предсказана Фарадеем. Термин «электрет» был предложен Хевисайдом в 1896 году по аналогии с английским «magnet» - постоянный магнит, а первые электреты получены японским исследователем Егучи в 1922 году. Егучи охладил в сильном электрическом поле расплав карнаубского воска и канифоли. Электрическое поле сориентировало полярные молекулы, и после охлаждения материал остался в поляризованном состоянии. Для уточнения технологии такие материалы называют термоэлектретами.

Существуют и другие технологии получения электретов. Электроэлектреты получают при выдержке электретов в сильных полях при комнатной температуре. При этом электрическое поле вырывает электроны с одной поверхности материала и пересыщает ими другую.

Фотоэлектреты получают одновременным воздействием электрического поля и света. Облучение материала светом возбуждает атомы и снижает работу выхода электронов.

Короноэлектреты получают при воздействии на диэлектрик коронного разряда. В коронном разряде происходит насыщение одной поверхности диэлектрика ионами одного знака и насыщение противоположной поверхности ионами другого знака.

Радиоэлектреты получают воздействием пучками заряженных частиц высокой энергии.

Трибоэлектреты получают, воздействуя на них трением. Разрушение молекул при трении проводит к несимметричному расположению зарядов.

Получение электретов сводится, таким образом, к электризации диэлектрика, в результате которой образуются большие по значению и стабильные во времени заряды, поверхностные потенциалы, электрические поля. Решать эту задачу можно как путем получения «замороженной поляризации, так и путем получения высоких концентраций избыточных неравновесных, не скомпенсированных зарядов.

Сравнительную эффективность каждого из этих путей можно оценить на основе следующего приблизительного расчета. Пусть в качестве электризуемого диэлектрика выбран полярный полимер с плотностью (r) 10³ кг/м³ с молекулярной массой (m) 10² кг/моль. Тогда в единичном объеме содержится rN_A/m частиц, где N_A = 6´10²⁶ кмоль^-1- число Авогадро. Если принять, что электрический момент каждой частицы равен 10^-29 Кл´м и все частица ориентированы в направлении, перпендикулярном поверхности электрета, то поверхностная плотность зарядов составит 6 10-2 Кл´м^-2. Это значение превышает экспериментально наблюдаемые значения поверхностной плотности заряда примерно в 600 раз. Следовательно, для получения экспериментально наблюдаемых значений плотности электрических зарядов на поверхности достаточно сориентировать один диполь из 600.

Если считать, что поверхностная плотность зарядов создается не диполями, а заряженными частицами (е=1,6 10^-19 Кл), то для получения реально наблюдаемых значений плотности электрического заряда на поверхности электрета должно быть 6,25 10^-14 м^-2 частиц. Всего на поверхности диэлектрика имеется rN_A/m^2/3 или 3,3 10¹⁸ частиц. Следовательно, для получения экспериментально наблюдаемой плотности зарядов достаточно, чтобы из 5000 частиц одна была заряженной.

Из этого оценочного расчета видно, что целесообразнее получать электрет, вводя в диэлектрик заряженные частицы.

Важно отметить, что если бы величины поверхностной плотности зарядов определялись электрической прочностью материала диэлектриков, то запасенный заряд был бы существенно больше реально наблюдаемого. Ограничения на плотность зарядов накладывают электропроводность диэлектриков и перераспределение заряда по толщине со временем. У полярных диэлектриков - электропроводность выше, чем у неполярных. Это связано с тем, что молекулы полярных диэлектриков активно притягивают к себе ионы примесей, поэтому концентрация носителей заряда в полярных диэлектриках всегда выше, чем в неполярных. Поэтому, электроэлектреты, фотоэлектреты, короноэлектреты и радиоэлектреты, которые обычно получают из неполярных материалов, имеют большую стабильность во времени, чем термоэлектреты.

Электреты используются для создания электрических полей (электретные линзы для фокусировки электронов, электретные фильтры для очистки дымовых газов и др.) и для создания преобразователей механических перемещений в электрические (электретные микрофоны, электретные клавиши и др.). Кроме того, электреты используют в электрофотографии, в дозиметрах, в датчиках вибраций. Имеются сведения о применении электретов в головках звукоснимателей и в маломощных реле.

Дата добавления: 2014-11-29