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:

                                           (1)

     где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, Е_а - энергия активации ловушки.

   Носители, попавшие на ловушки, останутся там  и после выключения электрического поля и внешнего воздействия, приводившего к генерации пар носителей  заряда. Получится электрет, у противоположных  поверхностей которого будет пространственный электрический заряд разного  знака. В образце будет существовать внутреннее электрическое поле, которое стремится соединить, вновь «смешать» разделенные внешним полем заряды. Но этому препятствуют ловушки, удерживающие носители. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Рис. 6. Электрет с объемно-зарядовой поляризацией- 1 - получение; 2 - готовый электрет

   Состояние электрета, как и в случае истинной поляризации, неравновесно. Отдельные  носители, случайно, в результате флуктуации получившие энергию, достаточную для  перехода в зону проводимости (или  валентную - для дырок), будут освобождаться, и двигаться во внутреннем поле электрета. В результате будет происходить  релаксация ОЗП. С ростом температуры релаксация ускоряется.

   3.1.2. Электреты с избыточным  неравновесным зарядом

  Электреты с избыточным внедренным зарядом наиболее широко применяются в практических целях. Их, получают в результате электризации нейтрального диэлектрика. Электризация сводится к внедрению в образец извне носителей заряда определенного знака (или обеих знаков), либо отрыву электронов от образца, в результате которого он приобретает нескомпенсированный отрицательный или положительный заряд.

   Электризация  диэлектриков может происходить  при трении (трибоэлектреты), при облучении потоком электронов, протонов, положительных или отрицательных ионов, воздействии электрических разрядов (искрового, коронного, тлеющего). Наиболее широко используется для электризации диэлектриков коронный разряд, в результате которого получаются короноэлектреты. Кроме того, избыточный электрический заряд может быть инжектирован из электродов, прилегающих к поверхности образца. Механизмы инжекции могут быть разными, но результат одинаковый - в приповерхностном слое диэлектрика на ловушках образуется пространственных заряд, совпадающий по знаку со знаком заряда электрода (гомозаряд).

   В технических целях чаще всего  применяются электреты, полученные из тонких неполярных фторполимерных пленок толщиной 10-25 мкм, которые могут  быть с одной стороны покрыты  тонким слоем металла, чаще всего  алюминия. Металлический слой наносят  методом вакуумного распыления. Он служит одним из электродов устройства, в котором используется электрет. Электрет электризуется, как правило, в коронном разряде со стороны  свободной поверхности полимера и имеет в диэлектрике избыточные заряды одного знака (моноэлектрет). 
 
 

   3.1.3. Комбинированные  электреты

   Комбинированные электреты содержат как истинную поляризацию, так и избыточный электрический заряд одного или разных знаков. Они получаются из полярных диэлектриков, в которых имеются дипольные группы и ловушки, способные захватывать неравновесные носители заряда.

   Неравновесные носители - носители заряда любой природы, концентрация которых превышает равновесное при данной температуре значение В полупроводниках и диэлектриках при температурах, отличных от О К, в состоянии термодинамического равновесия имеется некоторая концентрация собственных носителей заряда, пропорциональная ехр ,где Δ- ширина запрещенной зоны. В ионных диэлектриках также имеется некоторая равновесная концентрация положительных и отрицательных ионов. Попадание в диэлектрик носителей заряда извне в результате инжекции, электрического разряда, генерации дополнительных носителей в результате освещения или облучения увеличивают концентрацию носителей над равновесным значением.

   Образование поляризации и избыточного заряда может происходить при разных способах получения электретов. Например, при электризации коронным разрядом полимерных полярных диэлектриков при  температурах, лежащих в области  подвижности кинетических единиц, обладающих дипольным моментом, наряду с накоплением неравновесного заряда в диэлектрике произойдет ориентация диполей. После охлаждения и выключения коронного разряда поляризация «заморозится», а неравновесные носители, внедрившиеся в полимер, захватятся на ловушки.

     4. Электретные материалы и изделия в технике

     4.1. Преобразователи сигналов

     Преобразующие устройства или преобразователи  являются элементами систем автоматического  управления и обработки данных. Они  предназначены для трансформации  подаваемых на вход сигналов в выходные сигналы той же или другой физической природы, которые обеспечивают обработку, передачу, измерение или регистрацию информации.

     Электретные преобразователи классифицируют по природе входных сигналов:

• преобразователи механических сигналов
• преобразователи акустических сигналов
• преобразователи электрических сигналов
• преобразователи оптических сигналов

     Преобразование  механических сигналов осуществляют с помощью устройств, в которых использованы электретные датчики механических воздействий. Датчик – элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, регистрации и воздействия на управляемые процессы. Электретные датчики давления основаны на появлении тока в цепи, соединяющей электроды, при изменении зазора между электретом и электродами. Конструктивно их выполняют в виде микрофона с электретной мембраной или в виде клавиш, расположенных над электретной пленкой. На этом же принципе основаны датчики перемещений, деформаций и вибрации, основными элементами которых являются сопряженные, расположенные с зазором электрет и подвижный электрод. Близкие к описанным конструкции датчиков удара использовались для обнаружения утечек в космических станциях.

     Разработаны датчики перемещений и деформаций, содержащие электреты из резины. Выходной сигнал возрастает с увеличением  механической нагрузки и способностью материала электрета генерировать напряжение при деформации. Измеритель атмосферного давления на электретах основан на изменении заряда электрета в зависимости от давления окружающего его газа. Для целей защиты разработаны датчики давления в виде коаксиального кабеля с облицовкой из поляризованного тефлона, электродами которого служат центральная жила и экран. При деформировании последнего на выходе кабеля возникает электрический сигнал.

     Принцип действия электретных тахометров –  приборов для измерения механической скорости или частоты вращения деталей  машин – состоит в индуцировании  переменного тока при перемещении  электрода в поле электрета. Последний  закреплен на движущейся детали и, проходя  вблизи неподвижного электрода, индуцирует в нем заряд.

     В устройствах для ввода или  передачи буквенно-числовых данных используют электретные сенсорные переключатели, срабатывающие от прикосновения. Выходные сигналы с амплитудой 10 – 100 В возникают в них при незначительном отклонении электретной диафрагмы. Для переключения достаточно легкого прикосновения к кнопке сенсора без заметного осязательного ощущения.

     Преобразователи акустических сигналов позволяют трансформировать величины, характеризующие звуковое поле, в распределение электрического потенциала или тока. Чувствительным элементом электретных микрофонов служит заряженный твердый диэлектрик. Конденсаторный электретный микрофон состоит из диэлектрической диафрагмы, установленной с зазором на металлическом основании. Диафрагма выполнена в виде заряженной полимерной пленки, покрытой слоем металла. Неметализированная поверхность диафрагмы обращена к основанию, величина воздушного зазора контролируется выступами на поверхности основания. Для увеличения чувствительности микрофона в основании делают отверстия, соединяющие зазор с воздушным пространством. Полагают, что чувствительность электретных микрофонов может сохраняться практически постоянной до 10 – 100 лет.

     Принцип конденсаторного микрофона с  твердым диэлектриком, работающего  с внешним смещением, использован  в конструкциях наушников, громкоговорителей  и источников ультразвука.

     Гидрофоны – устройства для приема звуковых и ультразвуковых колебаний в  воде и преобразования их в электрические  колебания. Электретные гидрофоны  конструктивно выполняют в виде описанных выше акустических преобразователей или используют датчики в виде зажатых между внешними электродами  слоистых электретных структур. Они  могут работать на частотах до 500 МГц  при комнатной температуре. Электретные  гидрофоны находят применение в  гидроакустических устройствах: гидролокаторах, шумопеленгаторах, взрывателях акустических мин и т. д.

     Оклеивание  судов пьезоэлектрической пленкой, на которую подают сигнал 7 В частотой 19 кГц, предотвращает обрастание корпусов водорослями и моллюсками.

     Принцип действия преобразователей электрических сигналов основан на изменении напряженности электрического поля, емкости и других характеристик электретных чувствительных элементов при воздействии различных физических явлений. Простейшим преобразователем такого типа является датчик влажности.

     Электростатические  линзы применяют для отклонения электронного луча в электронно-лучевых  трубках и приборах на их основе. Это позволяет существенно уменьшить  массу и габариты приборов и устройств, что особенно важно в космической  технике, микроэлектронике и т. д.

     Для преобразования оптических сигналов в электрические разработана группа электронно-оптических приборов на электретах. Такие преобразователи находят применение при наблюдении слабо освещенных или слабо излучающих объектов, при изучении быстропротекающих процессов в ядерной физике, астрономии, медицине, при скоростной киносъемке, а также в системах обработки, хранения и передачи информации.

     Электреты нашли применение в приборах ночного  видения, которые представляют собой  электронно-оптические преобразователи  ИК-излучения. Они нашли применение при наблюдении за ИК сигнальными  огнями, вождении транспортных средств  в ночное время, при стрельбе и  т. д. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4.2.Регистраторы информации

     Электреты используют в качестве носителей  информации при записи наблюдаемых  явлений, результатов измерений  и вычислений, переданных по каналам  связи сообщений, и т. д. Тип регистрирующих устройств, способы записи и хранения информации зависят от ее назначения: чтение человеком, ввод в вычислительную машину, передача по каналам связи и др. Соответственно этим условиям разработаны следующие виды электретных регистраторов:

• запоминающие устройства
• электрофотография

     Запоминающее  устройство – блок вычислительной машины или самостоятельное устройство, предназначенное для записи, хранения и воспроизведения главным образом дискретной информации. Электретные запоминающие устройства основаны на локализации распределения зарядов в диэлектрике, которое зависит от формы и полярности заряжающих электродов. Для «прочтения» потенциального рельефа используют стандартные методы измерения заряда электретов.

     Электрофотография – фотографический процесс, основанный на проявлении скрытого электрического изображения, образующегося на фотопроводящем слое диэлектрика или высокоомного полупроводника. Различают следующие разновидности электрофотографии: на фотоэлектретах; ксерография; методы, основанные на остаточной проводимости диэлектрика.  
 
 
 
 
 

     4.3. Медицинская техника

     Огромное  применение электретный эффект нашел  в медицине. Отметим получившие распространение  в клинической практике разработки на основе электретов.

     Кровесовместимые  материалы. Совместимость с кровью (гемосовместимость)  -  емкое понятие, включающее широкий комплекс механических и физико-химических аспектов взаимодействия крови и инородных тел. Существует тем не менее главная проблема, которая должна быть решена с помощью кровесовместимых материалов, - предотвращение тромбообразования.