Можно ли «заморозить» поле? Несмотря на кажущуюся странность постановки вопроса, подобное (с некоторыми оговорками) можно осуществить и, мало того, не просто можно, а это весьма активно применяется во множестве сфер — и сегодня мы поговорим о такой интересной штуке как “электреты»…
Считается, что тема электретов получила своё начало с открытия* их японским физиком Ёгути, в 1919 году и, в дальнейшем, разработки этой темы только углублялись, а сам термин был введён в обиход английским физиком и математиком Оливером Хевисайдом, для обозначения диэлектрических материалов, являющихся носителем зарядов разного знака на своих сторонах (концах).
*Несмотря на подобную дату отсчёта, собственно электретные материалы известны ещё с 1700-х годов (но, возможно, и раньше), где примером подобного устройства является электрофор — устройство, состоящее из смолистого диска (на следующем рисунке лежит внизу) и металлического диска с рукояткой (на рисунке виден наверху):
Для начала работы с электрофором, нижнюю пластину натирают мехом или тканью, в результате чего, она приобретает отрицательный заряд.
После этого металлическая пластина сверху кладётся на этот диэлектрический заряженный диск, в результате чего, из-за слабого контакта, обуславливаемого микрошероховатостью поверхностей металлического диска и диска диэлектрика, происходит преимущественно не передача заряда, а разделение зарядов на металлической пластине:
Теперь, когда на металлическом диске произошло разделение зарядов, его поднимают вверх и на короткое время касаются пальцем верхней части пластины — в более продвинутых вариантах диска (как показано на самой первой картинке выше), касаются не собственно самой поверхности диска, а небольшого шарика, поднятого над поверхностью на палочке, который мы можем видеть в правой части первой картинки выше.
В результате такого касания, происходит следующее: пластина теряет отрицательный заряд и сохраняет только положительный.
В дальнейшем, эту односторонне заряженную пластину можно использовать для экспериментов, периодически подзаряжая от диска диэлектрика, лежащего на столе (который первоначально натирался мехом или тканью).
Схематически, весь ход этого эксперимента показан на картинке ниже:
Таким образом, мы видим, что в ходе этого эксперимента использовался диэлектрик (натираемый мехом или тканью диск, лежащий на столе), являющийся в ходе него одной из ключевых частей экспериментальной установки.
Однако, на практике было выявлено (и это важный момент) — что заряженный диск диэлектрика, лежащий на столе, со временем (порядка нескольких дней) всё равно теряет свой заряд, становясь нейтральным, как за счёт прямой потери зарядов в воздух, так и просачивания заряда сквозь пластину диэлектрика, к обратной стороне.
Таким образом, получается, что используемые на тот момент диэлектрики могли только временно удерживать поляризацию, однако перед наукой открылись совершенно новые возможности, когда была открыт способ сделать их поляризацию постоянной!
Но сначала, рассмотрим, как устроен глубинный механизм поляризации, условно говоря, «временных» электретов и «постоянных» электретов и в чём его отличие у обоих видов!
По эксперименту выше, мы уже могли сложить некоторое поверхностное суждение, что «диэлектрики способны к поляризации» — и это будет чистой правдой, так как согласно науке, это одно из основных свойств диэлектриков.
Под поляризацией понимается, что приложением некоторого воздействия к диэлектрику, составляющие его частички (какие конкретно мы ещё посмотрим ниже) могут менять своё положение.
Наиболее известным способом поляризации является, безусловно поляризация при воздействии электрического поля — которую мы выше уже видели, где под воздействием поля составные частички диэлектрика могут ориентироваться согласно силовым линиям этого поля.
Но, этот способ не является единственным возможным, так как существуют и другие варианты:
Термическая поляризация (тепловое расширение/сужение кристаллической решётки при нагреве/охлаждении некоторых материалов (турмалин, титанат бария, ниобат лития и т.д.) может генерировать электрический ток;
Поляризация коронным разрядом;
Поляризация механическим воздействием (ударом, давлением или натиранием шерстью, что мы могли уже видеть выше);
Поляризация при фазовом переходе (например, соляная кислота самопроизвольно поляризуется при переходе в твёрдую форму, то есть, когда замерзает в лёд).
Однако, вернёмся обратно к сути самого процесса поляризации и рассмотрим самый распространённый вариант — поляризацию при воздействии электрического поля.
Здесь для диэлектриков может наблюдаться целый ряд видов поляризации, которые зависят от физической структуры самого диэлектрика.
В случае, если в узлах кристаллической решётки находятся атомы — приложение внешнего электрического поля приводит к вытягиванию электронных орбит вокруг ядра атома, таким образом, что образуется своеобразное яйцо, в одной стороне которого находится ядро атома, а в другой, условно говоря электрон (ы):
Подобная структура с ярко выраженными зарядами на концах, называется диполем (это понятие относится не только к этому варианту, но и к другим, которые будут рассмотрены ниже).
Интересно, что такая поляризация протекает за самое короткое время из всех рассматриваемых: в среднем, 10-14…10-15 секунды — связано это с тем, что как минимум один из полюсов (электрон(ы)) имеет весьма малый размер и массу.
Примерно аналогичная структура, только где в узлах решётки находятся атомы, потерявшие электрон и приобретшие электрон соседнего узла (чередуясь) называется ионной решёткой и, один из самых ярких примеров — обычная поваренная соль.
В таком случае, приложение внешнего поля приводит к некоторому смещению узлов относительно друг друга, в результате чего возникает всё та же поляризация.
Так как здесь смещаются достаточно большие объекты («ионы» — но, по сути, атомы и есть), то подобное смещение занимает относительно большое время 10-11…10-13 секунд��.
И это не всё: есть и вариант, где в узлах кристаллической решётки могут находиться целые молекулы (водяной лёд, сахар, большое количество органических веществ) — в таком случае, наблюдается тоже достаточно интересная картина: так как эти молекулы составлены из отдельных атомов, по отдельности нейтральных, однако, при построении молекулы они приобретают некоторое смещение потенциала (называется «дипольная молекула»), в ту или иную сторону заряда, таким образом, при приложении внешнего электрического поля, происходит некоторый разворот этой молекулы целиком, наподобие того, как поворачивается стрелка компаса.
А теперь, самый интересный вариант (и ниже мы поймём почему!): а ведь диэлектриками могут быть не только твёрдые вещества с кристаллическими решётками, но и жидкие вещества! ;-)
Было выявлено, что явление поляризации прекрасно наблюдается и у жидких диэлектриков, — например, спиртов (этиловый, метиловый), ацетона, — которые содержат описанные выше дипольные молекулы, у которых приложение внешнего электрического поля вызывает поляризацию (т.е. разворот) дипольных молекул, которые встают в некое среднее состояние, обусловленное одновременным воздействием и равновесием между силой теплового движения и внешним прилагаемым электрическим полем.
Однако у всех этих способов мы здесь видим главную проблему: при пропадании внешнего электрического поля или заземления (как в самом первом варианте в начале статьи, у электрофора) — поляризация пропадает!
И, видимо, размышляя над всем этим, учёному из Японии (Ёгути, упомянутый ранее) из начала статьи и пришла в голову мысль: “Эврика! А что, если соединить обе агрегатные формы: твёрдую и жидкую, придав поляризацию диэлектрику в жидкой форме и дать ему затвердеть, не снимая воздействия электрического поля! Ведь тогда, по идее, поляризация должна сохраниться, даже и после снятия поля!?”.
Именно это и было проделано: для эксперимента учёный взял смесь, состоящую из равных частей карнаубского воска*, канифоли и маленького количества пчелиного воска.
*Карнаубский воск — это специальная смола, собираемая в Америке, с пальмы Карнауба. Точная причина, почему была взята именно эта смола, затерялась в истории, однако, предполагают, что это было делом случая.
Для эксперимента была собрана следующая установка:
В центре всего эксперимента находится круглая ванночка из металла (А), 1х20 см, куда заливается расплавленная смесь (из 3 компонентов, описанных выше).
Во время заливки, ванночка стоит на одном из электродов (В), в то время как второй (С) — высоко поднят над ней, с помощью грузиков-противовесов.
В свою очередь, нижний электрод (B), укладывается на четыре ножки изолятора из серы (F), которые его изолируют от деревянного основания (D), установленного на четыре винта, с помощью которых, подкручивая, добиваются полной горизонтальности всей системы.
Для лёгкости извлечения будущего электрета, дно ванночки (А) отшлифовывается и выстилается фольгой, после чего, также фольгой оборачивается и опускаемый сверху электрод (С).
Далее, верхний электрод (С) опускается прямо на поверхность расплавленной смеси, до касания с ней, после чего, на электроды (B) и (С) подаётся высокое напряжение, которое не снимается до тех пор, пока смесь не остынет до комнатной температуры.
В ходе такого процесса, наблюдается как раз то самое соединение двух идей, о чём мы и говорили выше: двух агрегатных состояний вещества и разворот полярных молекул: когда смесь находится в расплаве, полярные молекулы в её составе ориентируются электрическим полем, таким образом, что их положительный полюс становится развёрнутым к отрицательному электроду, а, соответственно, отрицательный полюс, — развернутым к положительному электроду.
И, если во время нахождения в жидкой фазе, снять внешнее электрическое поле, молекулы снова развернутся хаотично, повинуясь только силам теплового движения.
Однако, если не снимать поле, то, по мере застывания, они теряют возможность такой подвижности, и остаются навсегда застывшими, в одном ориентированном положении — соответственно, смесь оказывается поляризованной.
После изготовления электрета, Ёгути проверял его готовность, используя метод, базирующийся на электростатической индукции. Для этого, была собрана следующая установка:
Чтобы осуществить проверку с её помощью, замыкался ключ (К), а электрод (B) опускался прямо на поверхность электрета, далее, ключ размыкается, а верхний электрод поднимается на 5-10 см, что приводит к отклонению стрелки электрометра (Э)…
Выше мы рассмотрели, по сути, только один способ получения — термоэлектретный (расплавление/застывание), хотя, в реальности, таких способов довольно много, среди которых есть и облучение радиацией, освещение светом при одновременном воздействии электрического поля, воздействие коронным разрядом, механическим способом — где трение шерстью, только один из них, так как в истории, как минимум, известен ещё и способ советских учёных (В.Е.Гуль, Г.А.Лущейкин, 1963 год) получения электретов из оргстекла, с помощью запекания нескольких слоёв под прессом, при давлении в 100 атм и температуре 100°C.
Напоследок, можно отметить, что способ изготовления электретов с помощью коронного разряда является одним из самых популярных из скоростных способов промышленного производства тонких электретных плёнок (например, для микрофонов, фильтрующих материалов для электростатических масок, фильтров): для этого, плёнка лежит на заземлённом валу, с большой скоростью прокручиваясь под коронирующей проволокой, ионы от которой глубоко проникают в поверхность материала, вызывая его поляризацию — в этом случае никакого нагрева не применяется, используется исключительно прокручивание под разрядом.
Применение электретов
Электреты могут быть использованы множеством полезных способов, где одним из наиболее очевидных, простых и интересных (на мой взгляд) является использование их в качестве источника тока для добычи искры — подобный способ может быть использован в зажигалках разного рода, и даже в качестве источника искры в двигателях внутреннего сгорания!
Простая установка для демонстрации такого использования показана ниже:
В ходе такого опыта электрет (е) кладётся на металлическую пластину (в), cоединённую проводником с электродом (d), после чего на поверхность электрета укладывается пластина (a) со штырём наверху, где поднесение к этому штырю на малое расстояние электрода (d) вызывает возникновение искры.
Интересно то, что опыт может быть многократно повторён, с одинаковым результатом! То есть, установка может быть использована в качестве постоянного источника искры!
Экспериментаторы следили за состоянием электрета, созданного по схеме выше (из смеси компонентов), где в течение трёх лет его поляризация практически не изменилась*!
*Именно поэтому их называют ещё источниками «квазипостоянного электрического заряда», подразумевая под этим то, что срок сохранения электрического заряда (читай «поляризации») науке неизвестен, и превосходит период изучения наукой данного вопроса*.
**Это название (квазипостоянные) появилось достаточно давно, и относится больше к моменту открытия подобного класса материалов.
С тех времён, наука существенно продвинулась в их понимании и, по современным представлениям, все электреты, так или иначе, со временем теряют поляризацию.
Однако, у хороших электретов (например, на основе фторопластов), это время настолько огромно, что, по теоре��ическим прикидкам, может достигать тысяч лет!
В практическом смысле, это означает, что свойства материала остаются постоянными в пределах жизни человека или в пределах срока эксплуатации конкретного устройства, в котором оно используется, являясь в течение всего этого срока постоянным источником поля.
В отличие от вышеупомянутого способа извлечения искры, следующий способ широко известен и применяется повсеместно: электретные микрофоны!
С момента изобретения их конструкции было придумано довольно много, однако, в классическом варианте конструкция выглядит примерно следующим образом:
На этой схеме мы видим, что электрет (е), расположен таким образом, что один из его боков смотрит в сторону металлической сетки (с), которая, в свою очередь, расположена на небольшом расстоянии от металлической мембраны (d) — служащей диффузором микрофона.
При появлении звуковых колебаний, они заставляют вибрировать металлическую мембрану, и расстояние между ней и сеткой (изолированной от корпуса) — изменяется, что приводит к появлению электрического тока во внешней цепи.
Появляются некоторые сведения и об использовании электретных материалов довольно нестандартным образом: в узлах трения механических устройств, где взаимное отталкивание заряженных поверхностей приводит к уменьшению силы трения на микроуровне, удлиняя срок службы узла.
Ну и, напоследок, есть любопытный опыт, где человек в наше время повторил классический опыт Ёгути, поляризовав электрет из трёх компонентов. Выглядит довольно интересно:
А здесь, в видео ниже, наглядно видно, как легко и сильно электризуется стержень из фторопласта, даже при простом механическом натирании:
В теории, замена механического натирания на зарядку коронным разрядом, перевела бы его уже в статус постоянных электретов, с «замороженным» полем…;-)
В статье, в том числе, использованы иллюстрации из книги: А.Н.Губкин — «Электреты: электретный эффект в твёрдых диэлектриках.»
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
