Электретные преобразователи энергии

     Министерство  науки и образования Российской Федерации

     Новосибирский государственный технический университет

     ГОУ ВПО 
 
 
 

Реферат

     Дисциплина: Основы преобразования энергии

     Тема: «Электретные преобразователи энергии» 
 
 
 
 
 
 

     Факультет: ФМА

     Группа: ЭМ-75

     Студент: Пьяных А.                            Преподаватель: Евдокимов С.А. 
 
 

     Новосибирск

     2009

     СОДЕРЖАНИЕ 

1. Введение

2. Суть и история  открытия электретного эффекта

    2.1.  Понятие термина электрет и его сравнение с постоянными магнитами

     2.2. Первые достижения в применении электретов

3. Типы и методы получения электретов

    3.1. Классификация  электретов

           3.1.1. Электреты с неравновесной  поляризацией

           3.1.2.  Электреты с избыточным  неравновесным зарядом

           3.1.3. Комбинированные электреты  

4. Электретные  материалы и изделия в технике

    4.1. Преобразователи  сигналов

    4.2. Регистраторы информации

    4.3. Медицинская  техника

    4.4. Фильтры  для газов

    4.5. Источники  энергии 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ВВЕДЕНИЕ

      Магниты в виде кусков железной руды часто встречаются в природе и известны с очень давних времен. Когда была обнаружена связь между магнитными и электрическими явлениями, возник вопрос : а нельзя ли получить электрический аналог магнита – диэлектрик, который создавал бы электрическое поле? Такое предположение высказал английский физик О. Хевисайд в 1892 году. Он же предложил название аналогу магнита – «электрет».

     В настоящее время электреты нашли  широкое применение. Диапазон их использования  простирается от бытовой техники (широко известны высококачественные электретные  микрофоны) до техники специального назначения (например, электретные  дозиметры, электретные гидрофоны  и т.п.). Практическая потребность  получения электретов с заданными  свойствами стимулировала и продолжает стимулировать физические исследования достаточно сложных явлений, лежащих  в основе так называемого электретного состояния диэлектриков. Имеющаяся в настоящее время литература, в частности монографии и научно-популярные книги, а также проведение всесоюзных конференций и симпозиумов по проблеме электретов свидетельствует о неослабевающем внимании и интересе к ним исследователей многих стран мира. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Суть и история открытия электретного эффекта

2.1. Понятие термина  «электрет» и его  сравнение с постоянными  магнитами

     Электретом  называется 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.

     Таким образом, электрет является электрическим  аналогом постоянного магнита. В  истории науки известны случаи, когда  проведение некоторых аналогий между  различными по своей природе, но имеющими формальное внешнее сходство явлениями  способствовало открытию новых эффектов.

     Постоянные  магниты были известны человечеству еще в глубокой древности. Сегодня  мы знаем, что постоянные магниты - это  ферромагнетики с остаточной намагниченностью, благодаря которой они и создают  вокруг себя постоянное магнитное поле. Может возникнуть вопрос: почему ученые не искали электрический аналог постоянному  магниту? Почему вопрос об электрическом  аналоге постоянного магнита  был сформулирован лишь только в  конце XIX века, а сам электрет открыт лишь в начале XX столетия?

     Можно назвать несколько причин этого. Следует отметить, что диэлектрические  свойства вещества стали изучаться  намного позднее магнитных свойств. К концу XIX века магнитные свойства ряда веществ были изучены уже  достаточно хорошо. Особенно много  ученые знали о свойствах постоянных магнитов. Диэлектрики же были исследованы  в значительно меньшей степени. Сам термин "диэлектрик" был  введен М. Фарадеем лишь в 1839 году. И  только в 1896 году из общих соображений  английский физик О. Хевисайд высказал предположение о том, что, подобно  постоянным магнитам, в природе должны существовать постоянно заполяризованные диэлектрики. Именно Хевисайд предложил  для обозначения такого состояния диэлектрика термин "электрет" и дал его первое определение. Согласно Хевисайду, под электретом следует понимать постоянный поляризованный диэлектрик с разноименными полюсами, обладающий внешним электрическим полем. Определение, предложенное Хевисайдом, близко к современному и только не учитывает возможность создания электретного состояния путем заряжения диэлектрика зарядом одного знака (так называемое моноэлектретное состояние).

     Пользуясь все той же аналогией, можно было ожидать, что, подобно постоянным магнитам, электреты можно изготавливать  только из диэлектриков, обладающих спонтанной поляризацией. Однако все оказалось  гораздо сложнее. Как потом выяснилось, сегнетоэлектрики, как правило, не обладают электретными свойствами, хотя и имеют  остаточную поляризацию. К тому же несегнетоэлектрические диэлектрики обнаруживают электретные  свойства. Исследуя электрические свойства именно несегнетоэлектрического вещества - карнаубского воска, японский физик Мототоро Ёгучи в 1920 году впервые экспериментально обнаружил электретный эффект. Ёгучи помещал смесь пальмовой смолы с канифолью (карнаубский воск) между двумя металлическими электродами, расплавлял смесь, включал напряжение и, не снимая напряжения, охлаждал ее. Получалась пластинка диэлектрика, которая создавала внешнее электрическое поле, - электрет.

                     

Рис.1. Схема опыта Ёгучи:

     1 – накладной металлический  электрод

     2 – металлическая  банка

     2.2. Первые достижения  в применении электретов

  В 40-е гг. ХХ в. интерес к электретному эффекту вновь увеличился в связи  с изобретением ксерографии –  способа копирования документов методом электрографии. Для этого  используют пластины, покрытые слоем  полупроводника, который в темноте  обладает высоким удельным сопротивлением, не отличаясь по существу от диэлектрика. Поверхность равномерно заряжаю  в темноте, получая тем самым  электрет, который достаточно долго  удерживает сообщённый ему заряд. Затем  на поверхность проецируют изображение  копируемого документа. В местах, где полупроводник освещён, световые кванты генерируют носители заряда (явление  внутреннего фотоэффекта) – электроны  и дырки, которые, двигаясь в электрическом  поле электрета, компенсируют поверхностный  заряд в освещённых местах. В тех  же местах, куда свет не попадает, заряд  остаётся. Получается «электрическое изображение». Его проявляют, распыляя над поверхностью специальный порошок, прилипающий к заряженным участкам пластины. Прижимая лист бумаги к пластине, переносят порошок на бумагу. Для  закрепления изображения необходимо предотвратить осыпания порошка. Для  этого лист нагревают, порошок плавится и прочно скрепляется с бумагой. Этот процесс до сих пор является основой работы многих копировальных  аппаратов, лазерных принтеров.

     Вскоре  после этого был создан микрофон на электретах. Конструкция микрофона  была предельно проста. Электрет помещали между двумя электродами, один из которых плотно прижимали, а второй, играющий роль мембраны, - располагали  с небольшим зазором. Микрофон работал  без источника питания. Это производило  впечатление чуда. На самом деле при вибрации мембраны менялось электрическое  поле между электродами, и во внешней  цепи генерировался ток. Электрет непосредственно  преобразовывал энергию звука в  электрический ток.

     Почему  же такие простые микрофоны не получили широкого распространения? Как  говорят конструкторы, карнаубский  воск был нетехнологичным материалом – расплавлялся при низкой температуре, был непрочным.

     Но  идея была хороша. Поэтому начались поиски технологичного электретного материала. В 50-е годы в Физическом институте Академии наук СССР Г.И. Сканави и А.Н. Губкин получили прочную керамику с хорошими электретными свойствами – титанат кальция – и сконструировали микрофон на керамическом электрете.

     В 60-е годы был открыт электретный  эффект в тонких полимерных пленках  лавсана, фторопласта, поликарбоната. Практическое применение электретов стало  быстро развиваться. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Типы и методы получения электретов

3.1. Классификация электретов

  Электреты могут классифицироваться по типу электрически неравновесного состояния диэлектрика (электреты с «истинной», ориентационной дипольной поляризацией; электреты с объемно-зарядовой поляризацией; с избыточным внедренным зарядом; комбинированные), материалу диэлектрика (неорганические кристаллические электреты, полимерные электреты, биоэлектреты и т.п.), методу получения (термо-электреты, электроэлектреты, короноэлектреты, радиоэлектреты, фотоэлектреты, механоэлектреты, трибоэлектреты и т.п.). 

     

  Рис. 3. Классификация  электретов по природе  электрически неравновесного состояния 
 
 
 
 
 

  3.1.1. Электреты с неравновесной  поляризацией

  Электреты с истинной, ориентационной дипольной поляризацией получают из полярных диэлектриков, в которых молекулы, группы атомов, звенья, сегменты и т.п. структурные и кинетические единицы имеют постоянный дипольный момент. В качестве таких диэлектриков могут служить смолы, отдельные полимерные материалы (ПММА - оргстекло, ПВДФ, ПК и др.). Последние применяются в современных условиях чаще всего. Наличие постоянного дипольного момента недостаточно для получения электрета. Важным условием является то, чтобы кинетическая единица, несущая дипольный момент, при «нормальных», комнатных температурах не могла совершать повороты на большие углы, а совершала бы небольшие колебания около положения равновесия. Только тогда поляризованное состояние диэлектрика может сохраняться длительное время.

  Если  в данном полимерном диэлектрике  наибольший постоянный дипольный момент имеет сегмент, то ориентация таких  диполей во внешнем электрическом  поле будет возможна только при Т> Тс (Тс - температура стеклования  аморфной фазы полимера). После охлаждения в поле до Т< Тс сегменты, а вместе с ними и дипольные моменты  «застынут» в ориентированном состоянии, а образец в целом приобретет поляризацию - получится электрет. Если же дипольные моменты сегментов  равны нулю, а отличны от нуля у боковых групп, электрет может  быть получен, если диэлектрик выдержать  в поле при температуре выше точки  релаксационного перехода, при котором  размораживается подвижность боковых  групп, а затем охладить в поле до температур, лежащих ниже области  перехода.

  Электреты с истинной ориентационной дипольной  поляризацией, полученные по данному  способу, называют термоэлектретами. Схема их получения отражена на рис 4. 

             
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис 4. Схема получения термоэлектрета с истинной поляризацией 

  Электреты с объемно-зарядовой поляризацией (ОЗП) получают по следующей схеме. В диэлектрике путем внешнего воздействия (нагревания, освещения, рентгеновского облучения) вызывают появление пар носителей заряда (электрон-дырка, положительный ион-отрицательный ион). Прикладывают внешнее электрическое поле, которое разводит носители в противоположные стороны. Эти носители накапливаются у границ диэлектрика, на фазовых границах и неоднородностях. Часть из них захватывается ловушками - электрически активными дефектами материала, способными захватывать и удерживать носитель заряда.

  Ловушками электронов и дырок могут служить  дефекты кристаллической решетки - примесные атомы, вакансии и др., отдельные группы атомов, имеющие  положительное сродство к электрону  или дырке (последнее означает, что  присоединение электрона либо дырки  к данному атому или группе атомов энергетически выгодно). Для носителей заряда ионной природы ловушками могут служить «полости» между макромолекулами в аморфных полимерах и аморфных прослойках частично-кристаллических полимеров, дефекты кристаллитов и др. неоднородности, препятствующие движению иона. Природа ловушек в ряде материалов не выяснена до конца, однако нас интересует сам факт их наличия в диэлектрике. 

                         

  Рис 5. Уровни ловушек в запрещенной зоне диэлектрика 1-«глубокие» ловушки, 2 - «мелкие» ловушки, 3 - носители заряда на ловушке, 4 - свободный электрон в зоне проводимости, 5 -свободная дырка в валентной зоне

   Для кристаллических веществ применима  зонная теория. С точки зрения этой теории ловушке соответствует энергетический уровень, лежащий в запрещенной  зоне диэлектрика, причем достаточно удаленный  от «дна» зоны проводимости или «потолка» валентной (рис 5). Если энергетический «зазор» составляет менее 1 эВ, то ловушка считается мелкой, а при значениях, больших 1 эВ - глубокой. Энергетическая «глубина» ловушки часто называется энергией активации ловушки (Е_a). Это минимальная энергия, которую необходимо сообщить носителю заряда, находящемуся в ловушке, для его освобождения - перехода в зону проводимости. Деление ловушек на мелкие и глубокие достаточно условно. Глубокие ловушки при комнатной температуре могут удерживать носитель, попавший на такой уровень, несколько месяцев и даже лет. При повышении температуры вероятность выхода носителя из ловушки (w_t) резко возрастает: