Введение
Электрет (образовано как смешение слов electr от "электричества" и et от "магнита") – это диэлектрический материал, обладающий квазипостоянной электрической поляризацией. Электрет имеет внутренние и внешние электрические поля и является электростатическим эквивалентом постоянного магнита. Термин "электрет" был введен Оливером Хевисайдом для обозначения (обычно диэлектрического) материала, имеющего электрические заряды противоположного знака на своих концах. Некоторые материалы с электретными свойствами были известны науке и изучались уже с начала 1700-х годов. Одним из примеров является электрофор – устройство, состоящее из пластины с электретными свойствами и отдельной металлической пластины. Электрофор был первоначально изобретен Йоханом Карлом Вильке в Швеции в 1762 году и усовершенствован Алессандро Вольтой в Италии в 1775 году. Первый задокументированный случай создания электрета был осуществлен Мототаро Эгучи в 1925 году, который расплавлял подходящий диэлектрический материал, такой как полимер или воск, содержащий полярные молекулы, а затем давал ему затвердеть в сильном электрическом поле. Полярные молекулы диэлектрика выстраиваются по направлению электрического поля, создавая дипольный электрет с постоянной поляризацией. Современные электреты иногда создают путем внедрения избыточных зарядов в высокоизолирующий диэлектрик, например, с помощью электронного луча, коронного разряда, инжекции из электронной пушки, электрического пробоя в зазоре или диэлектрического барьера.
An electret (formed as a portmanteau of electr from "electricity" and et from "magnet") is a dielectric material that has a quasi permanent electrical polarisation. An electret has internal and external electric fields, and is the electrostatic equivalent of a permanent magnet. The term electret was coined by Oliver Heaviside for a (typically dielectric) material which has electrical charges of opposite sign at its extremities. Some materials with electret properties were already known to science and had been studied since the early 1700s. One example is the electrophorus, a device consisting of a slab with electret properties and a separate metal plate. The electrophorus was originally invented by Johan Carl Wilcke in Sweden in 1762 and improved by Alessandro Volta in Italy in 1775. The first documented case of production was by Mototarô Eguchi in 1925 who melting a suitable dielectric material such as a polymer or wax that contains polar molecules, and then allowing it to solidify in a powerful electric field. The polar molecules of the dielectric align themselves to the direction of the electric field, producing a dipole electret with a permanent polarization. Modern electrets are sometimes made by embedding excess charges into a highly insulating dielectric, e. g. using an electron beam, corona discharge, injection from an electron gun, electric breakdown across a gap, or a dielectric barrier.
Сходство с магнитами
Электро́еты, как и магни́ты, явля́ются ди́полями. Ещё одно схо́дство — поля́: они́ создают электростати́ческое поле (в отличе́ от магни́тного поля́) вне́ материа́ла. Когда магни́т и электро́ет нахо́дятся ря́дом друг с дру́гом, происхо́дит до́вольно необы́чное явле́ние: пока́ они́ неподви́жны, они́ никак не влия́ют друг на друга́. Однако, когда электро́ет перемеща́ется относите́льно магни́тного полю́са, ощуща́ется си́ла, кото́рая де́йствует перпендикуля́рно магни́тному полю́, толкая́ электро́ет по траекто́рии под угло́м 90 граду́сов к ожида́емому направле́нию "толка́ния", как бы́ло бы ощуща́емо при взаимодействии́ с други́м магни́том.
Сходство с конденсаторами
Существует сходство между электролетом и диэлектрическим слоем, используемым в конденсаторах; разница заключается в том, что диэлектрики в конденсаторах имеют индуцированную поляризацию, которая носит лишь временный характер и зависит от приложенного к диэлектрику потенциала, в то время как диэлектрики с электролетными свойствами демонстрируют квазипостоянное накопление заряда или поляризацию. Некоторые материалы также проявляют ферроэлектричество (то есть они реагируют на внешние поля с гистерезисом поляризации). Ферроэлектрики способны сохранять поляризацию постоянно, поскольку находятся в термодинамическом равновесии, и поэтому используются в ферроэлектрических конденсаторах. Хотя электролеты находятся лишь в метастабильном состоянии, электролеты, изготовленные из материалов с очень низкой утечкой, могут сохранять избыточный заряд или поляризацию на протяжении многих лет. Электролетный микрофон – это тип конденсаторного микрофона, который устраняет необходимость в напряжении поляризации от источника питания за счет использования постоянно заряженного материала.
Материалы
Электретные материалы довольно распространены в природе. Кварц и другие формы диоксида кремния, например, являются природными электретами. Сегодня большинство электретов изготавливаются из синтетических полимеров, например, фторполимеров, полипропилена, полиэтилентерефталата (ПЭТ) и т.д. Электреты с реальным зарядом содержат избыток либо положительных, либо отрицательных зарядов, либо и тех, и других, в то время как ориентированные дипольные электреты содержат ориентированные диполи. Квазипостоянные внутренние или внешние электрические поля, создаваемые электретами, могут быть использованы в различных областях применения.
Производство
Навальные электроты можно получить путем нагрева или плавления материала с последующим охлаждением в присутствии сильного электрического поля. Электрическое поле переориентирует носители заряда или выстраивает диполи внутри материала. При охлаждении материала затвердевание фиксирует диполи в этом положении. Для изготовления электротов обычно используют воски, полимеры или смолы. Один из самых ранних рецептов включает 45% воска карнаубы, 45% белой канифоли и 10% белого пчелиного воска, которые расплавляют, смешивают и оставляют охлаждаться в статическом электрическом поле напряженностью несколько киловольт на сантиметр. Термодиэлектрический эффект, связанный с этим процессом, впервые описал бразильский исследователь Хоаким Коста-Рибейро. Электроты также можно изготавливать путем внедрения избыточного отрицательного заряда в диэлектрик с помощью ускорителя частиц или путем осаждения зарядов на поверхности или вблизи нее с использованием высоковольтных коронных разрядов – процесса, называемого коронным зарядом. Избыточный заряд в электроте затухает экспоненциально. Постоянная затухания зависит от относительной диэлектрической проницаемости материала и его удельного объёмного сопротивления. Материалы с исключительно высоким сопротивлением, такие как PTFE, могут сохранять избыточный заряд на протяжении сотен лет. Большинство коммерчески производимых электротов изготавливаются на основе фторполимеров (например, аморфного тефлона), которые обрабатываются в тонкие пленки.
Патенты
Ноулин, Томас Э. и Курт Р. Рашке, "Процесс создания полимерных электротов"