Полимерные электреты, их свойства и применение

Полимерные электреты, их свойства и применение.

Содержание

Введение

1. Теория электретного эффекта

2. Виды электретов стр. 4

3.Получение электретов стр. 4

4. Электретная разностьпотенциалов стр. 7

5. Метод получение электретовстр.8

6. Электрические поля электретовстр. 9

6.1.Электрические поля электрета с поверхностным зарядом стр. 9

6.2.Электрические поля электрета с пространственным зарядом стр. 12

6.3. Частныеслучаи полей электретов стр. 13

7. Эффективная поверхностнаяплотность заряда стр. 16

8. Измерение поверхностногопотенциала и плотности заряда электретов стр. 17

9. Релаксация заряда электретовстр. 19

10. Изотермическая итермостимулированная релаксация стр. 21

10.1Изотермическая релаксация в электретах с поляризацией стр. 23

10.2 Термостимулированнаярелаксация поляризации стр. 24

11. Релаксация за счетсобственной проводимости стр. 27

Список литературы стр. 33

Введение

В природе итехнике очень распространенные понятия как магнетизм, постоянный магнит. Известно о веществах, которые намагничиваются в магнитном поле -ферромагнетиках, о свойствах и природе магнетизма, а об электретах ничего неизвестно, хотя в быту встречаются часто.

Электретаминазывают диэлектрики, способные создавать постоянное электрическое поле. Вдревности люди сталкивались с этим явлением, электризация серы, янтаря, воска, смол. Но широкого применения не получили.

Первые научныесведения об электретном состоянии есть в работах английского учёного С. Грея (1732 г.), М. Фарадея (1839 г.). Термин «электрет» впервые ввёл О. Хевисайд (1892 г.), а изучать это явление начал японскийфизик Егути в 1919 г.

--------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------

Егути проделывалследующее: помещал расплавленный воск между двумя электродами, к которымприкладывалось высокое напряжение. После выдержки в электрическом поле воскохлаждался до отвердевания, после чего напряжение отключалось, а электродыотделялись от образца. На гранях воска, обращённых к электродам, был обнаруженэлектрический заряд, противоположный по знаку заряду на электродах. Его назвалигетерозарядом. (рис. 1).

Рис. 1. Получения электрета по Егути: 1 — расплавленный воск в электрическом поле; 2 -готовый электрет. Е0 — «внешнее» электрическое поле, Е- электрическое поле электрета.

На поверхностидиэлектрика заряды можно объяснить его дипольной поляризацией. В воске -полярном диэлектрике — имеются группы атомов, обладающие постоянным дипольным моментом. Где дипольный момент это физическая величина, характеризующая диполь каксистему двух одинаковых по модулю и противоположных по знаку зарядов q, расположенных на расстояние lдруг от друга, равная по модулю произведению заряда на расстояние между ними: p = ql. Дипольный момент -векторная величина, её модуль равен р, а направление — от отрицательного к положительному заряду. В исходном состояниидипольные моменты ориентированы хаотически, так что их векторная сумма равнанулю.

Дипольныемоменты групп не смогут ориентироваться при наложение электрического поля натвёрдый воск так как повороту диполей препятствуютсоседние молекулы и группы атомов (нет достаточно свободного объёма, великовзаимодействие с соседями) и возникает только индуцированная упругаяполяризация диэлектрика. Напротив, после расплавления дипольные группыприобретают подвижность и при включение электрическогополя будут ориентироваться вдоль силовых линий. Если, не выключая поля, охладить воск до отвердевания, то диполи потеряют подвижность — «заморозятся» вориентированном состоянии.

Поляризациядиэлектрика не может исчезнуть после выключения поля — получается электрет. Внём будет существовать собственное электрическое поле Е. Как видно из рис. 1, оно направлено так, что стремится разориентировать диполи. Поэтому поляризованное состояниевоска неравновесно — оно неустойчиво и со временембудет исчезать, стремиться к равновесному, исходному. Такой переход образца в термодинамически равновесноесостояние называют релаксацией.

Егути опытным путем обнаружил и такое явление, позженеоднократно наблюдавшееся на опыте разными исследователями, как переход отгетеро- к гомозаряду впроцессе хранения поляризованного электрета. (Гомозаряд— заряд поверхности диэлектрика, совпадающий по знаку с зарядом прилегавшего кней электрода). Явление указывает на существенную роль инжекции носителейзаряда из электродов в процессе изготовления электрета.

Интерес кэлектретному эффекту увеличился В 40-е гг. ХХ в. всвязи с изобретением ксерографии — способа копирования документов методомэлектрографии. Для этого используют пластины, покрытые слоем полупроводника, который в темноте обладает высоким удельным сопротивлением, не отличаясь посуществу от диэлектрика. Поверхность равномерно заряжаю в темноте, получая темсамым электрет, который достаточно долго удерживает сообщённый ему заряд. Затемна поверхность проецируют изображение копируемого документа. В местах, гдеполупроводник освещён, световые кванты генерируют носители заряда (явлениевнутреннего фотоэффекта) — электроны и дырки, которые, двигаясь в электрическомполе электрета, компенсируют поверхностный заряд в освещённых местах. В тех жеместах, куда свет не попадает, заряд остаётся. Получается «электрическоеизображение». Его проявляют, распыляя над поверхностью специальный порошок, прилипающий к заряженным участкам пластины. Прижимая лист бумаги к пластине, переносят порошок на бумагу. Для закрепления изображения необходимопредотвратить осыпания порошка. Для этого лист нагревают, порошок плавится ипрочно скрепляется с бумагой. Этот процесс до сих пор является основой работымногих копировальных аппаратов, лазерных принтеров.

Развитиеисследований по электретам начался в 60-е годы ХХ в. В 1962 г. создан первыйэлектретный микрофон. Это был первый электроакустический преобразователь -устройство, преобразующее механические колебания акустических частот вэлектрический сигнал того же диапазона частот (микрофон), либо электрическихколебаний звуковой частоты в механические колебания (телефон, громкоговоритель).Электретные микрофоны стали выпускать серийно. Позже появились электретныетелефоны и динамики, акустические системы для воспроизведения звука. Практикаопережала теорию, так как электретный эффект в полимерных диэлектриках был в товремя еще недостаточно изучен. Потребности производства, интерес ведущих фирм, выпускающих звукозаписывающую и звуковоспроизводящуюаппаратуру стимулировали исследования ряда зарубежных ученых. В 60−70-егг. появляются основополагающие работы Б. Гросса, Г.Сесслера,М.Перлмана, И. Ван Тюрнхаута.К.Икезаки, X. фон Зеггернаи мн. др. Стали вестись работы и в нашей стране. Появляются статьи и монографииА.Н.Губкина, Г. А.Лущейкина, О.А.Мяздриковаи В.Е.Манойлова, В.М.Фридкина, П.Н.Ковальского и А.Д.Шнейдера, Е.Т.Кулина и др.

В ЛГПИ в70−80-е гг. складывается школа электретных исследований им. А.И.Герцена (В.Г.Бойцов с сотрудниками), МИЭМ (А.Н.Губкин с сотрудниками). В эти же годыисследования проводились также в ЛЭТИ (М.Ю.Волокобинский, В.Н.Таиров и др.), ЛПТИ (М.Э.Борисова, С.Н.Койков) идругих вузах страны. Результаты внедрялись в производство электретныхмикрофонов на тульском предприятии «Октава».

Рост интересак электретам связан с бурным развитием физики и химии полимеров. Практическивсе применяемые на практике электреты изготовляются из полимерных диэлектриков.Наиболее удачными оказались фторполимеры— политетрафторэтилен (ПТФЭ), сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленомЩТФЭ-ГФП). Изучается возможность использования в качестве материала дляпроизводства электретов полиолефинов, особенно полипропилена, которыйзначительно дешевле фторполимеров. Ведется поискдругих полимерных диэлектриков с более высокими электретными свойствами. Поэтому подавляющее большинство публикуемых научных работ посвящено полимернымэлектретам (в т.ч. и книга Г. А.Лущейкина).

Японский физикХ.Каваи в 1969 г. открыл в полимерном диэлектрике поливинилиденфториде (ПВДФ) пьезоэффект, явление, которое ранее было известно только в кристаллических твердых телах. Полимерныепьезо — и сегнегоэлектрики интенсивно изучаются параллельно сэлектретными свойствами этих же материалов

1. Теорииэлектретного эффекта.

Электреты -диэлектрики, способные накапливать и длительно сохранять электрический зарядили поляризацию. Они могут создавать в окружающем пространствеэлектростатическое поле. Существует электрическое поле и внутри заряженного илиполяризованного электрета. Отметим, что наличие в диэлектрике поля илиполяризации в отсутствие внешнего электрического поля еще не является признакомэлектретного состояния. Действительно, они могут существовать всегнетоэлектриках — веществах, обладающих спонтанной (самопроизвольной)поляризацией.