4.11.3 Электреты
Электретами называются диэлектрики, которые длительное время создают в окружающем пространстве электрическое поле за сет предварительной электризации или поляризации.
Первые электреты были получены в 20-е годы XX века. Они представляют собой смеси воска и смол, расплав которых охлаждают в постоянном электрическом поле. При застывании поверхность электрета, обращенная к аноду, сохраняет отрицательный, а противоположная – положительный заряды. Таким образом возникают связанные поверхностные электрические заряды. Плотность этих зарядов со временем уменьшается, но затем образуются вторичные заряды противоположного знака. Для получения наиболее высокой плотности зарядов (примерно 0,3 Кл/м2) необходимо создавать напряженность электрического поля примерно (10÷12) ∙ 1015 В/м. При более высокой напряженности электрического поля происходит ионизация воздуха, что приводит к поверхностному перекрытию.
Электреты разрушаются при плавлении или воздействии сильного переменного электрического поля, ультразвука и поля высокой частоты.
Хранят органические электреты в закороченном состоянии, например упакованными в фольгу. При неправильном хранении или нахождении электрета в среде с относительной влажностью более 80% происходит сравнительно быстрое уменьшение плотности зарядов.
В зависимости от способа формирования заряда различают электроэлектреты, термоэлектреты, фотоэлектреты, радиоэлектреты и трибоэлектреты.
Термоэлектреты получают при охлаждении нагретого или расплавленного диэлектрика в сильном электрическом поле. После охлаждения подвижность полярных молекул или свободных зарядов резко уменьшается, и диэлектрик может сохранять остаточную поляризацию длительное время (рисунок 4.5, а).
Фотоэлектреты получают при совместном действии электрического поля и световой энергии на материалы, обладающие фотопроводимостью. После прекращения воздействия световой энергии носители разноименных зарядов оказываются «замороженными» у противоположных сторон диэлектрика, который превращается в электрет (рисунок 4.5, б). При условии хранения в темноте фотоэлектреты могут удерживать заряды от нескольких суток до нескольких месяцев.
Рисунок 4.5 – Схемы формирования зарядов в электретах:а – термоэлектрет; б – фотоэлектрет; в – радиоэлектрет; г – электроэлектрет; д - трибоэлектрет
Радиоэлектреты получают при воздействии на диэлектрик радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц). В результате ударной ионизации поверхностного слоя или внедрения в поверхностный слой диэлектрика ускоренных заряженных частиц на поверхности диэлектрика образуется заряженный слой (рисунок 4.5, в).
Электроэлектреты получают воздействием на диэлектрик только электрического поля при комнатной температуре. Свободные носители зарядов (ионы и электроны), ускоренные электрическим полем, бомбардируют поверхность диэлектрика в промежутке между диэлектриком и электродом (рисунок 4.5, г) и создают тем самым заряженный поверхностный слой.
Трибоэлектреты получают при трении двух диэлектриков. При плотном контакте двух диэлектриков электроны диэлектрика с меньшей работой выхода переходят в диэлектрик с большей работой выхода (рисунок 4.5, д).
С течением времени заряд электрета изменяется, что связано с разрушением остаточной поляризации. Время, в течение которого значение стабилизированного заряда уменьшается в 2,72 раза, называют временем жизни электрета. Оно может равняться десяткам лет, а для хороших электретов – сотням лет.
В качестве электретов могут использоваться органические и неорганические материалы.
Электреты из органических материалов условно делят на электреты, полученные из природных материалов, и электреты из синтетических материалов.
В качестве природных материалов для изготовления электретов используют смолы (канифоль, шеллак, янтарь) и их смеси, а также сахар, асфальт, эбонит, слюду и др. Эти электреты обладают низкой стабильностью величины заряда, очень высокой чувствительностью к условиям хранения, временем жизни не более 1 г.
Природные электреты не применяются для изготовления изделий радиоэлектроники.
В качестве синтетических материалов для изготовления электретов используют тонкие органические слабополярные и нейтральные полимерные пленки с высокими диэлектрическими свойствами (полиэтилентерафталат, поликарбонаты, полипропилен и др.).
Синтетические электреты (пленочные) применяют в качестве мембран в микрофонах, в вибропреобразователях.
Электреты из неорганических материалов представляют собой группу электретов из титаносодержащей керамики, ситаллов, различных стекол (малощелочного боросиликатного, кварцевого и др.).
Электреты применяют при изготовлении электростатических вольтметров, элементов электрической памяти, дозиметров проникающей радиации, для световой записи информации на электрическую пленку (аналогично записи на магнитную ленту).