Elektret - Electret

Nicht zu verwechseln mit Elektromagnet .

Ein Elektret (gebildet aus als portmanteau von electr- von „ Strom “ und -et von „ Magneten “) ist ein dielektrisches Material , das eine quasi-permanenten hat elektrische Ladung oder Dipol Polarisation . Ein Elektret erzeugt interne und externe elektrische Felder und ist das elektrostatische Äquivalent eines Permanentmagneten . Obwohl Oliver Heaviside diesen Begriff 1885 prägte, waren Materialien mit Elektreteigenschaften bereits der Wissenschaft bekannt und wurden seit dem frühen 18. Jahrhundert untersucht. Ein besonderes Beispiel ist der Elektrophorus , ein Gerät bestehend aus einer Platte mit Elektret-Eigenschaften und einer separaten Metallplatte. Der Elektrophorus wurde ursprünglich von Johan Carl Wilcke in Schweden und erneut von Alessandro Volta in Italien erfunden .

Der Name leitet sich von "Elektron" und "Magnet" ab; Analogie zur Bildung eines Magneten durch Ausrichtung magnetischer Domänen in einem Stück Eisen ziehen. Historisch wurden Elektrete hergestellt, indem zuerst ein geeignetes dielektrisches Material wie ein Polymer oder Wachs, das polare Moleküle enthält, geschmolzen und dann in einem starken elektrostatischen Feld wieder verfestigt wurde. Die polaren Moleküle des Dielektrikums richten sich in Richtung des elektrostatischen Feldes aus, wodurch ein Dipol-Elektret mit permanenter elektrostatischer Vorspannung entsteht. Moderne Elektrete werden normalerweise durch Einbetten überschüssiger Ladungen in ein hochisolierendes Dielektrikum hergestellt, zB mittels eines Elektronenstrahls , einer Koronaentladung , einer Injektion von einer Elektronenkanone , eines elektrischen Durchbruchs über einen Spalt oder einer dielektrischen Barriere.

Ähnlichkeit mit Magneten

Elektrete sind wie Magnete Dipole. Eine weitere Ähnlichkeit sind die Strahlungsfelder: Sie erzeugen ein elektrostatisches Feld (im Gegensatz zu einem magnetischen Feld ) um ihren Umfang. Wenn ein Magnet und ein Elektret nahe beieinander sind, tritt ein eher ungewöhnliches Phänomen auf: Im Stillstand haben beide keinen Einfluss aufeinander. Wenn jedoch ein Elektret in Bezug auf einen Magnetpol bewegt wird, wird eine Kraft gespürt, die senkrecht zum Magnetfeld wirkt und den Elektret entlang eines Pfads um 90 Grad zur erwarteten "Schubrichtung" drückt, wie dies bei einem anderen Magneten zu spüren wäre.

Ähnlichkeit mit Kondensatoren

Es gibt eine Ähnlichkeit zwischen einem Elektret und der dielektrischen Schicht, die in Kondensatoren verwendet wird ; Der Unterschied besteht darin, dass Dielektrika in Kondensatoren eine nur vorübergehende induzierte Polarisation aufweisen, abhängig von dem an das Dielektrikum angelegten Potential, während Dielektrika mit Elektret-Eigenschaften zusätzlich eine quasi-permanente Ladungsspeicherung oder Dipolpolarisation aufweisen. Einige Materialien weisen auch Ferroelektrizität auf (dh sie reagieren auf die äußeren Felder mit einer Hysterese der Polarisation). Ferroelektrika können die Polarisation dauerhaft beibehalten, da sie sich im thermodynamischen Gleichgewicht befinden und werden daher in ferroelektrischen Kondensatoren verwendet . Obwohl sich Elektrete nur in einem metastabilen Zustand befinden , können diejenigen, die aus Materialien mit sehr geringer Leckage hergestellt sind, eine Überladung oder Polarisation viele Jahre lang behalten. Ein Elektretmikrofon ist eine Art Kondensatormikrofon , das durch die Verwendung eines permanent geladenen Materials eine Polarisationsspannung von der Stromversorgung überflüssig macht.

Elektret-Typen

Es gibt zwei Arten von Elektreten:

  • Elektrete mit echter Ladung , die entweder eine Überschussladung einer oder beider Polaritäten enthalten
  • Elektrete mit orientierten Dipolen enthalten orientierte (ausgerichtete) Dipole. Ferroelektrische Materialien sind eine Variante davon.

Zelluläre Raumladungselektrete mit internen bipolaren Ladungen an den Hohlräumen stellen eine neue Klasse von Elektretmaterialien bereit, die Ferroelektrika nachahmen, daher werden sie als Ferroelektrete bezeichnet . Ferroelektrets weisen eine starke Piezoelektrizität auf , vergleichbar mit keramischen piezoelektrischen Materialien. Einige dielektrische Materialien können beide Verhaltensweisen zeigen.

Materialien

Elektretmaterialien sind in der Natur weit verbreitet. Quarz und andere Formen von Siliziumdioxid sind beispielsweise natürlich vorkommende Elektrete. Heutzutage werden die meisten Elektrete aus synthetischen Polymeren hergestellt , zB Fluorpolymeren , Polypropylen , Polyethylenterephthalat (PET) usw. Elektrete mit echter Ladung enthalten entweder positive oder negative Überschussladungen oder beides, während Elektrete mit orientierten Dipolen orientierte Dipole enthalten. Die von Elektreten erzeugten quasi-permanenten internen oder externen elektrischen Felder können in verschiedenen Anwendungen genutzt werden.

Herstellung

Bulk-Elektrete können durch Erhitzen oder Schmelzen des Materials und anschließendes Abkühlen in Gegenwart eines starken elektrischen Feldes hergestellt werden. Das elektrische Feld repositioniert die Ladungsträger oder richtet die Dipole im Material aus. Wenn das Material abkühlt, "friert" die Erstarrung die Dipole in ihrer Position ein. Als Materialien für Elektrete werden in der Regel Wachse , Polymere oder Harze verwendet . Eines der frühesten Rezepte besteht aus 45% Carnaubawachs , 45% weißem Kolophonium und 10% weißem Bienenwachs , die geschmolzen, miteinander vermischt und in einem statischen elektrischen Feld von mehreren Kilovolt/cm abkühlen gelassen werden. Der mit diesem Prozess verbundene thermodielektrische Effekt wurde erstmals vom brasilianischen Forscher Joaquim Costa Ribeiro beschrieben .

Elektrete kann auch durch die Einbettung überschüssige negative Ladung in einer dielektrischen hergestellt wird unter Verwendung eines Teilchenbeschleunigers , oder durch Verseilung Ladungen an oder nahe der Oberfläche unter Verwendung von Hochspannungsentladungen Corona , ein Verfahren genannt Koronaaufladevorrichtung . Überschüssige Ladung innerhalb eines Elektrets zerfällt exponentiell. Die Abklingkonstante ist eine Funktion der relativen Dielektrizitätskonstante des Materials und seines spezifischen Volumenwiderstands . Materialien mit extrem hohem spezifischen Widerstand, wie z. B. PTFE , können viele hundert Jahre lang eine Überladung behalten. Die meisten kommerziell hergestellten Elektrete basieren auf Fluorpolymeren (zB amorphes Teflon ), die zu dünnen Filmen verarbeitet werden.

Weiterlesen

  • Jefimenko, Oleg D. (2011). Elektrostatische Motoren: Ihre Geschichte, Typen und Funktionsprinzipien (1. Neu überarbeitete Ausgabe). Institut für Integritätsforschung. ISBN 978-1935023470.
  • Jefimenko, Oleg D.; Walker, David K. (1980). "Elektret". Physiklehrer . 18 (9): 651–659. Bibcode : 1980PhTea..18..651J . doi : 10.1119/1.2340651 .
  • Walker, David K.; Jefimenko, Oleg D. (1973). „Volumenladungsverteilung in Carnaubawachs-Elektreten“. Zeitschrift für Angewandte Physik . 44 (8): 3459. Bibcode : 1973JAP....44.3459W . doi : 10.1063.1.1662785 .
  • Adams, Charles K. (1987). Strom der Natur . TAB-Bücher . ISBN 978-0-8306-2769-1.
  • Gross, Bernhard (1964). Ladungsspeicherung in festen Dielektrika; eine bibliographische Übersicht über das Elektret und die damit verbundenen Wirkungen . Sonst .
  • Seßler, Gerhard M., Hrsg. (1998). Elektret (3. Aufl.). Laplace-Presse. ISBN 978-1-885540-07-2.

Siehe auch

Verweise


Patente

  • Nowlin, Thomas E. und Curt R. Raschke, US-Patent 4,291,245 "Ein Verfahren zur Herstellung von Polymer-Elektreten"