ЕЛЕКТРЕТЕН ЕФЕКТ В ДИЕЛЕКТРИЦИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ. ОСНОВНИ ПАРАМЕТРИ НА ЕЛЕКТРЕТИТЕ ИСТОРИЧЕСКИ СВЕДЕНИЯ ЗА ЕЛЕКТРЕТИТЕ В нормално състояние веществата в природата имат потенциала и заряда на земната кора, който е приет за неутрален. В определени случаи обаче те имат изразен повъхностен заряд остатъчна поляризация. Подобно на постоянните магнити, след определено третиране някои материали като органичен восък, керамика, стъкло и полимери имат свойството да съхраняват значителен електричен заряд за дълъг период от време. Материали с такова свойство се наричат електрети. През 1920 г. японският физик Мототаро Егучи е създал първия електрет от смес на равни части от карнаубски восък, колофон и малко количество пчелен восък. Към така приготвената смес, загрята до 130 о С той приложил силно външно електрично поле, което не премахвал дотогава, докато восъкът не се втвърдил напълно и не се охладил до стайна температура. Егучи установил, че полученият електрет запазва електричната си поляризация достатъчно дълго време. През 1937 г. известният наш учен Георги Наджаков изготвил електрет от поликристална сяра при едновременното въздействие на електрично поле и светлина. Той е установил, че фоточувствителната сяра, подложена на едновременното действие на електрично поле и на светлина, запазва електричната си поляризация достатъчно дълго време след премахване на електрчното поле, ако се съхранява на тъмно. При повторно осветяване на такъв диелектрик поляризацията се премахва. Електретите, получени от Егучи били наречени термоелектрети, а тези от Наджаков фотоелектрети. ОПРЕДЕЛЕНИЕ Електретът представлява диелектрик, създаващ продължително време в околното пространство постоянно електрично поле за сметка на предварително поляризиране или наелектризиране. От това определение могат да се отделят следните три елемента: електретът е диелектрик - т.е. електрет може да се получи само от диелектрик, а не от проводник или полупроводник. Диелектриците са вещества, които при прилагане на напрежение практически не провеждат електричен ток. Те имат проводимост приблизително 10 20 пъти по-малка от тази на металите. Диелектриците не притежават свободни носители на заряд (които да провеждат електричен ток), тъй като техните заряди са свързани в молекули или атоми. Според зонната теория диелектриците са материали, в които ширината на забранената зона е по-голяма от 3 ev, а валентната зона е изцяло запълнена. Диелектриците са електростатична система от заряди, които имат специфично поведение във външно електрично поле. Освен това те създават и свое собствено поле. Диелектриците се делят на три основни вида: Неполярни диелектрици изградени са от молекули, които не притежават диполен момент, т.е. центровете на положителните и отрицателните заряди
съвпадат. Следователно, при отсъствие на външно електрично поле резултантният диполен момент на неполярния диелектрик е нула. Неполярни диелектрици са: молекулите на водорода (H 2 ), азота (N 2 ), кислорода (O 2 ), тетрахлорметана (CCl 4 ), въглеродния диоксид (CO 2 ), метана (CH 4 ) и др. Полярни диелектрици молекулите им имат постоянен диполен момент, т.е. центровете на положителните и отрицателните заряди са отместени на постоянно разстояние. При отсъствие на външно електрично поле тези диполи са хаотично разположени, вследствие на взаимодействието между тях и топлинното им движение. Без външно електрично поле полярните диелектрици не притежават собствен диполен момент. Полярни диелектрици са: молекулите на водата (H 2 О), метиловия алкохол (CH 3 ОН), етиловия алкохол (C 2 H 5 ОН) и др. Йонни кристали това са кристални структури, изградени от положителни и отрицателни йони, които образуват две подрешетки. Без външно електрично поле йонните кристали не притежават собствен диполен момент. Йонни кристали са: кристалите на натриевия хлорид (NaCl), калиевия хлорид (KCl), калциевия дихлорид (CаCl 2 ) и др. Електретът създава продължително време в околното пространство електрично поле. Следователно, аналогично на постоянния магнит, който създава в околното пространство постоянно магнитно поле, електретът съдава постоянно електрично поле, т.е. той е електричен аналог на постоянния магнит. Тази аналогия, обаче е условна, тъй като в природата за разлика от електричните заряди, свободни магнитни заряди не съществуват. Съществуването на свободни електрични заряди означава, че електричното поле на електрета може да се екранира от тези заряди, намиращи се вътре в диелектрика или извън него. Затова електретът трябва да се разрежда с течение на времето, т.е. да има определено време на живот, зависещо от свойствата на самия диелектрик, условията на формиране на електретното състояние и условията на съхранение или използване на получения електрет. Освен това електретите могат да имат не само вътрешна диполна или йонна поляризация, но също така могат да бъдат наелектризирани и с инжектиран отвън заряд. В повечето случаи имено за сметка на инжекционните процеси може да се получи стабилно електретно състояние. За да се превърне диелектрикът в електрет е необходимо той да бъде предварително поляризиран или наелектризиран. Поляризация на диелектрика явление, при което под действие на приложено електрично поле електричните заряди се преместват на определено разстояние един от друг. В резултат на това на повърхността на диелектрика или в неговия обем се появяват некомпенсирани електрични заряди и диелектрикът като цяло придобива електричен момент. Векторът на поляризацията се представя чрез следната формула: r 1 P = ΔV i r p i,
където P r е векторът на поляризацията, а p r i е диполният момент на i-тата молекула от обема ΔV. Уравнението може да се запише и в следния вид: P = n p, където n0 0 е концентрацията на молекулите (брой молекули в единица обем), а диполният момент на една молекула, който е еднакъв за всички молекули в единица обем. Видове поляризация Съществуват няколко основни вида поляризация. индуцирана поляризация (поляризация на електронно отместване) p r е Ако във външно електрично поле E r, се постави неполярна молекула (атом), нейният положителен ( + q ) и отрицателен ( q ) заряд се отместват на разстояние Δ x, в резултат на което се индуцира диполен момент: p = qδx. Зарядите + q и q ще спрат движението си (при отместване Δx ), когато електричната сила F = qe се уравновеси от пораждащата се сила на еластична деформация F = k Δx, при което ще се индуцира диполен момент. Математически това се записва по следния начин: F = F qe = k Δx, от където за отместването Δx се получава: r r qe Δ x =. k Последният израз се замества във формулата за диполен момент и се получава: 2 r q r p = qδx p = E. k Индуцираният диполен момент може да се запише и чрез следната формула: p = ε 0 α E,
където α е поляризуемостта на молекулата (атома), ε 0 = 8,85. 10 F/m e диеликтричната проницаемост на вакуума. Ако n 0 е броят на молекулите в единица обем, т.е. концентрацията на молекулите, и се използва, че p = ε 0 α E, то поляризацията на неполярния диелектрик може да се запише във вида: r P = n p = n ε α E = r æ E, 0 0 0 ε 0 където æ се нарича диелектрична възприемчивост. Тя е безразмерна величина, независеща от интензитета E r и се дефинира като: æ = n 0 α. Времето за установявяне на индуцирана поляризация е 10-15 секунди. След премахване на полето поляризацията изчезва за същото време. Поради тази причина тя се нарича още пъргава или еластична. Индуцираната поляризация се наблюдава при всички диелектрици, но не може да се използва за получаване на електрети ориентационна поляризация 12 Ако полярен диелектрик се постави във външно електрично поле E r, диполните моменти на молекулите ще се ориентират по посока на интензитета E r, на повърхността на диелектрика ще се появят некомпенсирани свързани заряди и електричният момент на диелектрика като цяло става различен от нула. Топлинното им взаимодействие ще има дезориентиращ ефект. В резултат на това ще се получи една частична ориентация на диполите и поляризацията на полярния диелектрик ще се запише по следния начин: P = æ E. ε 0 Този вид поляризация се нарича диполно-ориентационна. Установявянето и става с известно закъснение спрямо момента на прилагане на електричното поле и варира в широки граници от 10-10 секунди до месеци и години, т.е. има релаксационен характер. Затова често ориентационната поляризация се нарича диполно-релаксационна. При диполно-релаксационната поляризация съществена роля играе температурата, като диелектричната възприемчивост зависи обратно пропорционално от температурата и се изразява чрез формулата: n0 p æ = 3ε k T. 0 2
На фигурата по долу е показана зависимостта на поляризацията от времето след прилагане на електричното поле при различни температури. С увеличаване на температурата времето за установяване на диполната поляризация намалява. Времето, за което поляризацията изчезва при дадена температура след премахване на полето, е равно на времето, за което тя се установява при същата температура. Това означава, че диелектрикът би могъл да се поляризира при висока температура, например при температура до стойност на поляризацията P1 за сравнително кратко време t 1, да се охлади до температура T1 при включено електрично поле, след което полето да се изключи. Получената поляризация следва да се запази продължително време t 2. Следователно диполно-релаксационната поляризация може да се използва за получаване на електрети. йонна поляризация T 3 Наблюдава се в диелектрици, които имат йонна кристална решетка (например NaCl). Може да се счита, че кристалната решетка се състои от две подрешетки - на положителните и отрицателните йони. При прилагане на външно електрично поле двете подрешетки се отместват една спрямо друга на разстояние, по-малко от разстоянието между съседните йони и на повърхността възникват некомпенсирани свързани заряди. Тогава всяка молекула на кристала получава диполен момент p r, а векторът на поляризация е: P = æ E. ε 0 След премахване на електричното поле решетката възстановява първоначалното си положение. Поради тази причина тя се нарича още пъргава или еластична и не може да се използва за получаване на електрети. При различните процеси на поляризация става преместване на зарядите под действие на електричното поле, намиращи се вътре в диелектрика, т.е. на собствените електрични заряди. Процесите на наелектризиране на диелектрика пък са свързани с внасянето (или изнасянето) на заряди отвън, т.е. с процесите на инжекция (или екстракция).
Известни са множество процеси, които водят до наелектризиране на диелектриците например при разкъсване на контакта между метал и диелектрик или между два диелектрика, при деформация, при триене на повърхностите на два диелектрика или метал и диелектрик. Видове заряди Повърхностните и обемните електрични заряди, които се появяват при поляризацията на диелектриците се наричат свързани заряди. На фигурата е показан поляризиран диелектрик. Вследствие на поляризацията P r върху повърхностите S1 и S2 на двете срещуположни страни на диелектрика се натрупват електрични заряди q и + q с повърхностна плътност на заряда съответно σ и + σ. Тези заряди са свързани с молекулите, на които принадлежат и са разпределени по повърхностите S1 и S2, без да могат да променят положението си по S1 и S2. Затова зарядът q се нарича свързан заряд. Вътре в обема на диелектрика положителните и отрицателните заряди също са свързани, но те взаимно се компенсират и затова обемната плътност на заряда е равна на нула. В зависимост от условията на поляризация се наблюдават два типа заряди на повърхността на електрета. В едни случаи зарядът на повърхността има знак обратен на полярността на прилежащия електрод, както е показано на фигурата. Този тип заряд се нарича хетерозаряд, а електретите, притежаващи хетерозаряд хетероелектрети.
В други случаи електретът има заряд на повърхността, еднакъв по знак с полярността на прилежащия електрод, както е показано на фигурата. Този тип заряд се нарича хомозаряд, а електретите, притежаващи хомозаряд хомоелектрети. ОСНОВНИ ПАРАМЕТРИ НА ЕЛЕКТРЕТИТЕ Възможностите за практическо приложение на електретите зависят от стойностите на техните основни параметри - повърхностен потенциал и време на живот, които определят тяхната стабилност и работоспособност. Основните параметри на електретите са: Повърхностен потенциал Повърхностният потенциал се дефинира чрез формулата: V e = L 0 E( z, t)dz, където Z е оста, насочена перпендикулярно към повърхността на електрета, L - дебелината на електрета, E ( z, t) - интензитетът на електричното поле E по направление на оста Z. Ефективна повърхностна плътност на заряда С повърхностния потенциал на електретите е свързана ефективната повърхностна плътност на заряда σ. ef Това е такава повърхностна плътност на заряда, съсредоточен в безкрайно тънък слой на повърхността на електрета, която би създавала същия повърхностен потенциал, какъвто се създава и при реалното разпределение на заряда. В общия случай σ ще бъде суперпозиция от повърхностната плътност на ef инжектираните свободни заряди σ r и повърхностната плътност на свързаните заряди, обусловени от поляризацията на диелектрика P : σ = σ P. В случай на обемно разпределение на инжектираните заряди, замени със σ r : ef r σ r трябва да се
където заряди. L σ = ρ( z)dz, 0 L - дебелината на електрета, ρ ( z) - обемната плътност на инжектираните Време на живот Това е времето, за което повърхностната плътност на заряда е спаднала от първоначалната си стойност до 1.10-7 C/m 2. Тази стойност е твърде условна и затова практически не се използва. Като практически критерий за времето на живот се приема времето, за което повърхностният потенциал на електрета е спаднал e - пъти ( e =2,718).