Электреты

Электретный микрофон

Электре́т — диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации (или заряжению) этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле. Электреты были открыты в 1919 году японским физиком Ёгути. Большое количество используемых материалов, методов внешнего воздействия, технологических приемов для создания поляризованного состояния в диэлектриках обуславливают многообразие проявления электретного эффекта в них.

Современные представления об электретном эффекте основаны на двух типах зарядов в диэлектриках — гетеро- и гомозаряде.

Гетерозаряд обусловлен электрической поляризацией в объёме диэлектриков вследствие ориентации диполей, ионной (или электронной) поляризации, а также смещением пространственного заряда. В этом случае отрицательный заряд электрета сосредотачивается у анода, положительный у катода, и возникающее электрическое поле противоположно по направлению полю поляризации.

Гомозаряд обусловлен инжекцией из электродов в диэлектрик носителей зарядов и локализацией их на центрах захвата или рекомбинации электронов и дырок (на энергетических ловушках) различной природы. В этом случае у катода располагается связанный отрицательный, а у анода — связанный положительный заряд, и результирующее образующееся поле имеет то же направление, что и поляризующее. Вышеупомянутые ловушки представляют собой энергетические уровни захвата инжектированных носителей заряда в запрещенной зоне диэлектрика или полупроводника.

Существует несколько способов изготовления электретов. Большинство из них основано на том, что диэлектрик помещают в электрическое поле и подвергают дополнительному физическому воздействию, которое уменьшает время релаксации диполей либо ускоряет процесс миграции заряженных частиц. В зависимости от вида физического воздействия различают термо- (нагрев вещества), электро- (действие электрического поля), фото- (действие света), магнито- (действие магнитного поля), радио- (воздействие ионизирующего излучения) и др. электреты. Электретное состояние может возникать и без приложения к диэлектрику внешнего электрического поля, например, от механической деформации (механоэлектреты), при заряжении диэлектрика в поле коронного разряда (короноэлектреты), при нагревании полимеров в контакте с электродами из разнородных металлов (металлополимерные электреты), при электризации трением (трибоэлектреты), под воздействием плазмы тлеющего разряда. Электретный эффект присущ сегнетоэлектрикам (сегнетоэлектреты), тканям живого организма (биоэлектреты). При фиксировании ориентированных в электрическом поле диполей и смещенных ионов химическим путём, например, вулканизацией, получают хемоэлектреты.

Важнейшей характеристикой электретов, определяемой экспериментально, является эффективная поверхностная плотность зарядов ($\sigma _{\text{эф }}$, Кл/м²), равная разности между гомо- и гетерозарядами. Другим параметром, характеризующим свойства электретов, является время релаксации зарядов $T_{p}$ (время уменьшения заряда в e раз). Временем жизни электрета $T_{\text{ж}}$ называется промежуток времени, в течение которого материал сохраняет электретные характеристики. У различных полимеров $T_{\text{ж}}$ составляет 3—10 лет.

Применение

Существует несколько традиционных областей применения электретов. Они применяются в качестве элементов:

• преобразователей механических, тепловых, акустических (см. электретный микрофон), оптических, радиационных и др. сигналов в электрические (в импульсы тока),
• запоминающих устройств,
• электродвигателей,
• генераторов;
• фильтров и мембран;
• противокоррозионных конструкций;
• узлов трения;
• систем герметизации;
• медицинских аппликаторов, антитромбогенных имплантатов, имплантируемых электретных стимуляторов остеорепарации - ортопедических электретов.

Литература

• Губкин А. Н. Электреты. М.: Наука, 1978. 192 с.
• Электреты / Под ред. Сесслера Г. — М.: Мир. — 1983. — 487 с.
• Лущейкин Г. А. Полимерные электреты. — М.: Химия. — 1984. — 184 с.
• Пинчук Л. С., Гольдаде В. А. Электретные материалы в машиностроении. — Гомель: Инфотрибо. — 1998. — 288 с.
• Гороховатский Ю. А. Электретный эффект и его применение. // Соросовский образовательный журнал. — 1997. — № 8. — С. 92-98.
• Рычков А. А., Бойцов В. Г. Электретный эффект в структурах поли-мер — металл: Монография. — СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена. — 2000. — 250 с.
• Галиханов М. Ф. Короноэлектреты на основе полиэтиленовых композиционных материалов. // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. № 5(С. 20-29) — 6 (С. 40-45).