72. Электреты
Электретом называют твердый диэлектрик, длительно создающий в окружающем пространстве электростатическое поле в отсутствии внешних источников за счет предварительной поляризации или электризации.
Электреты являются электрическими аналогами постоянных магнитов. Поле электрета индуцируется зарядами предварительно созданной остаточной поляризации или электризации.
В пироэлектриках и поляризованных сегнетоэлектриках также имеется остаточная поляризация, однако, ее заряды обычно компенсированы натекающими свободными зарядами, в результате чего внешнее поле равно нулю. В электретах остаточная поляризация компенсирована не полностью или перекомпенсирована свободными зарядами, а напряженность внешнего поля не равна нулю и может быть очень высокой - до пробивной напряженности окружающей среды.
Янтарь, натертый о сукно, притягивает легкие предметы. Это явление было описано древнегреческим философом Фалесом Милетским еще в VI в. до н.э. Понятие о диэлектриках, сохраняющих остаточную поляризацию подобно намагниченности постоянных магнитов, введено М.Фарадеем в 1838 г., а термин «электрет» был преложен английским физиком О.Хевисайдом в 1896г. Первые образцы электретов были изготовлены японским физиком М.Егути в 1922 году из охлажденного в сильном электрическом поле расплава полярных диэлектриков: пальмового воска и канифоли. В 1957 г. советскими физиками А.Н.Губкиным и Г.В.Сканави обнаружен электретный эффект в керамических материалах СаTiO3, SrTiO3 и др. Однако массовое применение электретов началось после открытия и исследования в 60-х годах электретого эффекта в полимерах, таких как политетрафторэтилен, полииэтилентерефталат, поликарбонат.
Электреты классифицируют, прежде всего, по способу формирования зарядов.
Термоэлектреты — получают при воздействии на нагретый диэлектрик электрического поля с последующим охлаждением в этом поле. Нагрев обычно производят до температуры плавления или размягчения для восков и смол, или до температуры стеклования полимеров, когда с одной стороны, резко облегчается ориентация полярных молекул под действием поля, а с другой стороны растет электрическая проводимость, что способствует ускорению процесса электризации и накопления объемных зарядов (ток абсорбции). После охлаждения диэлектрика в электрическом поле подвижность полярных молекул или свободных зарядов резко уменьшается, и диэлектрик длительно может сохранять сформированную остаточную поляризацию и заряды.
Фотоэлектреты – получают воздействием света на диэлектрик, помещенный в электрическое поле. Под действием света в диэлектрике возникает фотопроводимость. Освобождаемые светом носители заряда смещаются внешним электрическим полем, и некоторые из них застревают на ловушках. После выключения света носители разноименных зарядов оказываются «замороженными» у противоположных сторон диэлектрика, который становится электретом. Таким образом, если в термоэлектретах перераспределение зарядов стимулируется повышенной температурой, то в фотоэлектретах – освещением.
Радиоэлектреты получают воздействием на диэлектрик радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц). При излучении ускоренные заряженные частицы (электроны, ионы) либо выбивают электроны из поверхпостного слоя, либо, наоборот, внедряются в поверхностный слой диэлектрика и создают в нем дополнительные дефекты; поверхность диэлектрика оказывается заряженной (рис. 43).
Электроэлектреты получают путем воздействия на диэлектрик только электрического поля, без нагрева или облучения, по физический процесс электризации фактически сводится к рассмотренным. В зазоре между электродом и диэлектриком в сильном поле образуется газовый разряд; ионы газа, ускоренные полем, бомбардируют поверхность диэлектрика, создавая дефекты и стабильнее заряды в поверхностном слое. Процесс получения электрета протекает лучше при пониженном давлении газа в коронном разряде. Такие электроэлектреты иногда называют короноэлектретами.
Трибоэлектреты получают контактной электризацией, трением двух диэлектриков. При тесном соприкосновении двух различных тел часть зарядов (электронов) одного из них, с меньшей работой выхода, переходит на другой. Трение также нарушает нейтрализацию поверхностного заряда диэлектрика ионами воздуха. В результате при разделении контактирующих материалов их поверхности оказываются заряженными. Стабильные трибоэлектреты получают, например, при натирании сухим мехом политетрафторэтилена.
Электреты можно получить также за счет механического напряжения или деформации диэлектрика (механоэлектреты) и др. воздействий.
Как видно из рисунка, кроме электретов с разноименными зарядами на противоположных сторонах существуют электерты, имеющие во всем объеме заряд одного знака (радио-, трибоэлектреты). Их называют моноэлектретами. Знак заряда электрета может совпадать со знаком формирующего напряжения на прилегающем электроде, а может быть противоположен ему. Заряд первого типа называют гомозарядом, а второго - гетерозарядом. Гомозаряды образуются инжекцией извне, как это происходит в электро- и радиоэлектретах. Гетерозаряд формируется за счет смещения в противоположные стороны собственных зарядов диэлектрика — связанных или свободных. Это происходит в случае наличия у диэлектрика дипольной поляризации или миграционной поляризации (термоэлектреты), а также накопления носителей заряда на ловушках в приэлектродных слоях диэлектрика — так называемой приэлектродной поляризации (некоторые электро- и фотоэлектреты). Гетерозаряд может быть получен и путем облучения диэлектрика заряженными частицами большой энергии (>10кэВ), проходящими через всю толщину диэлектрика и застревающими у его противоположной стороны (на передней стороне со временем оседают компенсирующие заряды другого знака).
С течением времени заряд электрета изменяется. Это связано с разрушением остаточной поляризации, освобождением носителей заряда, захваченных ловушками, нейтрализацией объемных зарядов за счет электропроводности диэлектрика. Стабильная составляющая заряда электрета связана с носителями, закрепленными на наиболее глубоких ловушках, и наблюдается в материалах с очень высоким удельным сопротивлением, где постоянная времени разряда = 0 составляет многие годы.
Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей среды. При нагревании происходит освобождение носителей заряда, захваченных ловушками, а также нейтрализация объемных зарядов за счет электропроводности диэлектрика.
Применение электретов. Как указывалось, образец электрета, создающий вокруг себя электрическое поле, подобен магниту, создающему магнитное поле. Поэтому во многих областях применения электреты конкурируют с магнитными материалами.
Фотоэлектреты применяют для световой записи информации на диэлектрическую пленку (подобно записи на магнитную пленку). Световое изображение проектируется на диэлектрик, помещенный в постоянное электрическое поле, при этом освещенные места электризуются, а затемненные остаются незаряженными. Напылением заряженного порошка скрытое электростатическое изображение можно сделать видимым. На этом основана ксерография (то есть сухая фотография). Трибоэлектретный эффект (заряд трением) используется в электростатических генераторах высокого напряжения. Основное же применение .электретов - в микрофонах и телефонах, датчиков давления, дозиметров радиации, датчиков влажности, вибрации, ускорений, электрометров, клавишных вычислительных машинах, электрофотографии и др.
Обычно электрет в отличие от магнита имеет вид тонкой пластинки или пленки с разноименными зарядами одинаковой поверхностной плотности Q на противоположных сторонах.
Если электрет поместить между металлическими обкладками, то индуцированный заряд на них:
где Q - заряд на поверхности электрета;
h1 — зазор между одной из поверхностей электрета и электродом (принимаем, что зазор между другой поверхностью и электродом бесконечно мал);
h2 - толщина электрета;
- диэлектрическая проницаемость материала электрета.
При изменении зазора h1 индуцированный заряд также меняется. При периодическом изменении зазора в цепи между электродами происходит переменный ток, частота которого равна частоте изменения зазора. Так как внутреннее сопротивление системы электрет - электроды велико (107-108 Ом), ток не зависит от внешней нагрузки и получается своеобразный генератор переменного тока.
В преобразователях обычно применяют полимерные пленки толщиной 3-20 мкм, металлизированные с одной стороны.
Таблица 1 – Электретные материалы
В первых электретных преобразователях использовались воски, смолы и их смеси. Это полярные диэлектрики с температурой плавления 85-90°С. Электретирование производилось помещением расплавленной смеси в сильное электрическое поле и охлаждением до затвердевания в этом поле.
После выключения поля сохраняется остаточная поляризация и соответствующий гетерозаряд. Однако со временем к поляризационным зарядам Ор натекают компенсирующие свободные заряды противоположного знака QC, в результате чего суммарный заряд Q = QP + QC уменьшается и может изменить свой знак, став гомозарядом.
Аналогично ведет себя заряд электрета из полярных диэлектриков — полиметилметакрилат, поливинилхлорида, полиэтилентерефталат, получаемые термополяризацией при Т = 120-135°С.
В неполярных диэлектриках электретный эффект связан с гомозарядом, обусловленным инжекцией заряженных частиц со стороны электродов. Этот заряд частично спадает со временем, не меняя знака. Снижение Q во время стабилизации обусловлено освобождением зарядов с мелких ловушек. Для полу4ения долгоживущих электретов заряжаемый диэлектрик нагревают до Т = 100-200°С, при которой образуются глубокие ловушки.
Наибольшее применение из неполярных диэлектриков нашли политетрафторэтилен и полимеры на его основе. Эти пленки (толщиной 3-20 мкм) металлизированные с одной стороны. Такие электреты получают электронной бомбардировкой в вакууме.
Керамику электризуют, помещая в сильное электрическое поле (Е = 2 МВ/м) при температуре Т = 150‑200°С. Ток абсорбции и миграционная поляризация создают суммарный гомозаряд.