Полимерные электреты, их свойства и применение

Силу тока, протекающего во внешней цепи, нетрудно найти, если воспользоваться связьювеличины индуцированного заряда на верхнем электроде с напряженностью поля взазоре: σi=ε1ε0E1.Дифференцируя по времени, получаем:

(40)

Производная отплотности заряда по времени есть плотность тока в цепи, поэтому силу токанаходим умножением на площадь вибрирующего электрода S;

(41)

Пусть зазор меняется по закону:

(42)

где s10 — величина зазора приотсутствии колебаний, a0 -амплитуда колебаний электрода, ω— частота механических колебаний. На практике частота составляет несколькосотен герц, а амплитуда колебаний — сотые или тысячные доли мм, величина зазора s10 — около миллиметра (иногда десятые доли мм). Т.к. V + s1E1= 0, то

(43)

С учётом (42):

(44)

Дифференцируяполученное выражение по времени, принимая во внимание, что амплитуда колебанийнамного меньше s10, получаем выражение для тока в цепи:

(45)

Амплитудное (I0) и действующее (I) значения силы тока прямо пропорциональны величинеповерхностного потенциала.

I=const·V (46)

Для проведенияабсолютных измерений величины V необходимо знать коэффициент пропорциональностив (46). Для этого можно воспользоваться так называемым методом калибровки. Вместо электрета в ячейку помещают металлический электрод, устанавливая его натаком же расстоянии от вибрирующего электрода, и подают на него относительно"земли" заданное напряжение от выпрямителя (рис. 19а).

Рис. 19. Схемы методов калибровки (а) и компенсации (б)

Меняянапряжение, можно проградуировать прибор и, вновь установив электрет, измеритьвеличину его поверхностного потенциала. Такой метод широко применяется впрактике измерений, ведь любой прибор требует предварительной градуировки, разметки шкалы в нужных единицах измерения.

Однакопридумали способ избежать процедуры калибровки измерительной ячейки, несколькомодифицировав схему (рис. 196). Не убирая электрет, на нижний электрод отвыпрямителя подают известное напряжение, которое можно плавно регулировать иизмерять обыкновенным вольтметром. При этом появляется внешнее поле, направление которого зависит от полярности приложенного к электроду напряжения. При правильном выборе полярности увеличение приложенного напряжения приводит кослаблению и полной компенсации поля Е1 в воздушномзазоре. Признак компенсации — отсутствие переменного тока в цепи измерителя приколебаниях верхнего электрода. Приложенное напряжение будет равноповерхностному потенциалу электрета.

Данный методнаиболее удобен для практического использования. Кроме того, его неоспоримымдостоинством является слабая зависимость результата измерения от величинывоздушного зазора между верхним электродом-зондом и поверхностью образца. Напротив, в методе калибровки величина зазора сильно влияет на результат измерений. Этосвязано с ограниченностью заряженной области электрета и неоднородностьюэлектрического поля в зазоре («краевой эффект»).

Иногда вместоколеблющегося верхнего электрода используют неподвижный, но между ним иповерхностью электрета помещают вращающийся металлический обтюратор или диск сотверстиями, которые периодически экранируют зонд от поля электрета. В итоге вцепи появляется переменный ток, частота которого зависит от частоты прерываний (экранировки) поля Е1. Все выводы остаютсясправедливыми и для этого случая.

Рис. 20. Схема «точечного"вибрирующего зонда для измерения распределения поверхностного потенциала

Для измеренияраспределения эффективной плотности заряда или поверхностного потенциала вдольповерхности электрета применяют зонды малого сечения (единицы и десятые долимиллиметра). Они позволяют померить поверхностный потенциал в окрестноститочки, над которой расположен зонд. Специальное устройство позволяет передвигатьзонд вдоль поверхности образца, сканируя распределение потенциала. Схема такогоприбора показана на рис 20.

Зонд окружают заземленным охранным электродом, который позволяетсделать поле в области расположения зонда примерно однородным (без него силовыелинии «сгущались» бы на зонде, внося погрешности в результаты измерения, а привысоких значениях поверхностного потенциала на острых краях измерительногозонда мог бы развиться коронный разряд, и образующиеся ионы, оседая наэлектрете, вызвали бы неконтролируемое изменение поверхностного заряда).

Такаяустановка позволяет проследить, как меняется профиль поверхностного потенциалапри хранении электрета в различных условиях окружающей среды.

9. Релаксация зарядаэлектретов

Релаксациязаряда и поляризации в электретах связана с неравновесным характером этихвеличин. Со временем происходят разориентациядиполей, экранировка поляризационных связанных зарядов собственными носителями, дрейф неравновесных носителей в собственном электрическом поле с разрядкой ихна электродах и многие другие процессы, ведущие к постепенному исчезновениювнутреннего и внешнего электрических полей и поверхностного потенциалаэлектретов. Релаксация зависит от природы электретного состояния в данномматериале, его структуры, условий окружающей среды (температуры, влажности, наличия ионизирующих излучений, механическихнапряжений, микроорганизмов и т. п.).

В электретах с дипольной ориентационнойполяризацией релаксация связана чаще всего с двумя факторами.

Если вдиэлектрике нет собственных носителей и исключена их инжекция из электродов, контактирующих с ним, то единственным механизмом релаксации становится разориентация диполей.

Внутреннееполе Е, как видно изрис. 21, противоположно дипольным моментам групп, отвечающих за неравновеснуюполяризацию, поэтому оно стремится «опрокинуть», разориентироватьдиполи. Причем это внутреннее поле существует только за счет ориентации диполейи в то же время стремится нарушить ее, уничтожив тем самым самое себя. Этохарактерный признак неравновесного состояния — в нем заложено «стремление» крелаксации, к самоуничтожению. Развороту диполей мешает отсутствие подвижностидипольных групп (диполи «заморожены») при данной температуре. Правда, отсутствие подвижности дипольных групп надо понимать не буквально, а учитыватьстатистический характер процесса — при больших временах ожидания рано илипоздно может произойти флуктуация, при которой та или иная группа все-такисможет повернуться на значительный угол. Поэтому при любых, отличных от абсолютногонуля температурах, процесс разориентировки дипольныхгрупп протекает, но чрезвычайно медленно. Именно это обстоятельствообусловливает существование электретов в течение •многих месяцев, и даже лет.

С увеличениемтемпературы подвижность диполей возрастает, растет вероятность разориентации отдельных диполей, а в областирелаксационного перехода, например, стеклования полимера, все диполиприобретают способность поворачиваться. Поэтому релаксация поляризацииускоряется в десятки, сотни и тысячи раз.

Если вдиэлектрике имеются собственные носители заряда даже в очень малыхконцентрациях, то они, двигаясь во внутреннем поле электрета, собираются уповерхностей, где экранируют или компенсируют связанные заряды ориентированныхдиполей. Несмотря на то, что сами диполи могут оставаться в сориентированномсостоянии, поляризация в электрете исчезает — наступает релаксация.

Для тогоувеличения срока годности электретов с истинной ориентационной поляризациейиспользуют закорачивание образцов. Электрическое полевнутри образца в этом случае равно нулю, что существенно замедляет релаксацию. Толстые пластины электретов, изготовленные из воска, раньше просто заворачивалив металлическую фольгу.

Релаксациязаряда и потенциала ускоряется под воздействием внешних факторов, прежде всеготемпературы и влажности. Влияние температуры объясняется по-разному, взависимости от механизма релаксации и природы электретного состояния.