5.7. Электреты

Электретом называют диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризацию и создающий в окружающем пространстве электрическое поле после окончания внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию. Свойство длительно сохранять электризованное состояние (в течение нескольких лет) называют электретным эффектом. Электреты являются формальным аналогом постоянного магнита. Способ внешнего воздействия для получения электретного состояния диэлектрика определяет название электретов.

Термоэлектреты получают нагревом диэлектриков до температуры, превышающей комнатную и охлаждением в постоянном электрическом поле.

Фотоэлектреты получают одновременным воздействием постоянного электрического поля и воздействием света.

Коронноэлектреты – воздействием коронного разряда в окружающей газовой срде.

Радиоэлектреты – воздействием пучка заряженных частиц высокой энергии.

Электроэлектреты получают воздействием постоянного электрического поля при комнатной температуре.

Образование электретного состояния в диэлектрике можно пояснить с помощью рис. 5.14.

Рис. 5.14. Схема образования электретного состояния диэлектрика

Получение электретов сводится к электризации диэлектрика под действием сильного электрического поля. Электрическое поле выбирают настолько большим, что над поверхностью материала возникает газовый разряд, но нет пробоя диэлектрика. Ионы, ускоренные полем, бомбардируют поверхность диэлектрика, создавая структурные дефекты и образуя поверхностный заряд. На каждой из поверхностей электрета, находящегося под поляризующими электродами, образуются заряды обоих знаков (рис. 5.14 а). Заряды на поверхности твердого диэлектрика, имеющие тот же знак, что и на поляризующих электродах называют гомозарядами. А заряды, возникающие за счет различных релаксационных механизмов поляризации, имеющие противоположный знак с поляризующими электродами, называют гетерозарядами. Сразу после окончания процесса поляризации преобладающее влияние на электрическое поле электрета оказывают гетерозаряды. Но спустя некоторое время за счет теплового движения и релаксационных процессов значение гетерозарядов уменьшается (рис. 5.14 в) и преобладают гомозаряды. Гомозаряды определяют долговременную стабильность электретного эффекта, так как они не свободны, а захвачены нейтральными ловушками (дефектами структуры). Время жизни электретов в нормальных условиях может сохраняться в течение десятков лет, но оно уменьшается при наличии большой влажности и повышенной температуры. Электретный эффект более стабилен от времени в диэлектриках с очень высоким удельным сопротивлением. Если электрет поместить между двумя электродами как показано на рис.5.15 (случай соответствует монтажу электрических мембран в электретном микрофоне), то на электродах будет индуцироваться заряд Q_инд

(5.23)

где Q – заряд на поверхности электрета; ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; h₁ – зазор между электродом и электретом; h₂ – толщина электрета.

Рис. 5.15. Схема включения электрета в электрическую цепь

В расчет заряда не входит зазор между второй поверхностью электрета и электродом, так как он бесконечно мал. При изменении зазора h₁ под действием различных внешних сил, в электрической цепи будет проходить переменный электрический ток, частота которого будет равна частоте изменения зазора h₁.

Для получения электретов в настоящее время наибольшее применение нашли полимерные пленки толщиной 3-100 мкм с малым значением диэлектрической проницаемости и с высоким удельным сопротивлением – полиэтилентерефталат (лавсан), поликарбонат, политетрафторэтилен и другие.

Наиболее стабильным электретным эффектом обладают электреты на основе политетрафторэтилена.

Электреты нашли применение для изготовления микрофонов, сейсмических датчиков, датчиков механических вибраций, измерителей атмосферного давления, клавишей вычислительных машин и т.п.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют диэлектрическими?

2. Что называют поляризацией? Какие виды поляризации считают мгновенными и какие замедленными и в чем их различие?

3. Какие виды поляризации наблюдаются в неполярных и полярных органических диэлектриках и в диэлектриках ионной структуры?

4. Что характеризует относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков и как она изменяется от температуры и частоты?

5. Каков механизм электропроводности твердых диэлектриков и почему электропроводность диэлектриков мала? Какими токами определяется проводимость диэлектриков при постоянном и переменном напряжениях?

6. Приведите определения удельного, объемного и поверхностного сопротивлений, в каких единицах их измеряют?

7. Как влияет влажность на величину удельного поверхностного сопротивления твердых диэлектриков различной структуры?

8. Что называют диэлектрическими потерями, и какие существуют механизмы диэлектрических потерь?

9. Чем характеризуют способность диэлектриков рассеивать энергию в электрическом поле? Какой угол называют углом диэлектрических потерь?

10. Каков характер изменения tgδ в зависимости от частоты при наличии релаксационных потерь в диэлектриках?

11. Какие значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ должны иметь диэлектрики, применяемые в области высоких и сверхвысоких частот?

12. Что понимается под явлением пробоя в диэлектриках? Как определяется электрическая прочность диэлектриков?

13. Какие существуют механизмы пробоя твердых диэлектриков? Каковы условия проявления каждого из них?

14. Какие диэлектрики называют активными и почему?

15. Какие диэлектрики называют сегнетоэлектриками? Как изменяется диэлектрическая проницаемость в сегнетоэлектриках от температуры и напряженности электрического поля?

16. Приведите классификацию сегнетоэлектриков по химическому составу.

17. Приведите примеры практического использования сегнетоэлектрических материалов в устройствах РЭС. На каких свойствах материалов основано их применение?

18. Что такое прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты? В каких диэлектриках наблюдается пьезоэффект?

19. Какими основными параметрами характеризуются пьезоматериалы?

20. Какие основные срезы существуют в монокристаллическом кварце? Какой из срезов обладает наибольшей температурной стабильностью.

21. Приведите примеры применения кварцевых резонаторов в устройствах РЭС.

22. Какие пьезоэлектрические материалы применяются при изготовлении различных функциональных устройств на поверхностных акустических волнах? Каким требованиям должны отвечать эти материалы?

23. Назовите основные поликристаллические материалы, обладающие пьезоэлектрическим эффектом. В чем преимущества поликристаллических пьезоэлектриков перед монокристаллическими и в чем их недостаток?

24. Что такое электретное состояние диэлектрика и каким способом его получают?

25. Назовите основные материалы, используемые при изготовлении твердотельных лазеров.