Полимерные электреты, их свойства и применение

Механизм явлений, происходящих при такой электризации ясен не до конца. Возможно, что заряд переносится за счет микроразрядов, возникающих при отрыве влажного электрода от диэлектрика. Стабильность электретов, заряженных таким методом, иногда уступает стабильности заряда короноэлектретов. В технических целях он практически не используется, но в условия физкабинета может быть с успехом использован.

 

 

 

Электрические поля электретов

 

Электрические поля электрета с поверхностным зарядом

Электреты, в зависимости  от характера внедренного заряда, наличия или отсутствия электродов, могут создавать электростатические поля как

внутри диэлектрика, так  и в окружающем пространстве.

Если взять тонкую пленку полимерного диэлектрика, продольные размеры которой значительно превышают толщину, то ее можно считать «бесконечно протяженной». Именно для таких пленок в дальнейшем будут проводиться расчеты полей, токов релаксации и др. параметров электретов.

Зарядим поверхность  пленки одним знаком заряда. Заряды захватятся поверхностными ловушками  и будут удерживаться на них длительное время (рис. 12).

 

Рис. 12. Моноэлектрет без электродов создает  в пространстве электрическое поле

 

 

Такой электрет создает  в пространстве однородное электрическое  поле. В вакууме вне диэлектрика оно будет определяться выражением:

а внутри пленки:

где σ- поверхностная  плотность заряда, ε - диэлектрическая проницаемость пленки, ε0- электрическая постоянная (8.85* Ф/м).

                              

Рис. 13. Конфигурация для расчета электрических полей внутри и вне электрета: I - нижний напылённый электрод, 2  верхний электрод, 3 - диэлектрический зазор, 4 - внешняя закорачивающая цепь, 5 - поверхностный заряд

Для практических и научных  целей наиболее интересен случай расчета полей, когда электрет с одним напыленным металлическим электродом помещен на некотором расстоянии от второго металлического электрода, причем оба электрода соединены проводником - коротко замкнуты (рис. 13). Такая конфигурация характерна для установок, измеряющих параметры электрета, а также для всех типов электроакустических преобразователей - микрофонов, телефонов и др. Она же позволяет рассмотреть как предельные случаи свободный электрет и электрет с плотно прилегающими или напыленными обеими электродами.

Рассмотрим сначала  простейший случай, доступный даже школьникам старших классов, когда поверхность полимерной пленки однородно заряжена - поверхностная плотность заряда одинакова во всех точках поверхности и равна ст. На практике такой случай бывает при электризации в коронном разряде.

Введем обозначения: s - толщина пленки, ε - диэлектрическая проницаемость пленки, s1- толщина зазора между электретом и верхним электродом 2, ε1- диэлектрическая проницаемость вещества в зазоре, Е - напряженность электрического поля внутри пленки, D - электрическая индукция в пленке, Е1 - напряженность электрического поля в зазоре. D1, - индукция электрического поля в зазоре, V - разность потенциалов между нижним электродом и поверхностью электрета (электретная разность потенциалов или поверхностный потенциал электрета), V1 - разность потенциалов в зазоре между поверхностью электрета и верхним электродом.

Поля в зазоре и  в пленке, очевидно, будут однородными. Поэтому для их определения достаточно записать два уравнения: условие  для нормальной проекции вектора электрической индукции на границе раздела диэлектриков, на которой имеется слой избыточного заряда:

D1-D=σ   (6)

и условие короткого замыкания  электродов 1 и 2:

                    V1+V=0   (7)

Переходя в уравнениях (6) и (7) к напряженностям, получаем систему двух уравнений относительно неизвестных полей Е и Е1:

                                     ε1ε0Е1-εε0Е=σ  (8)

                                         sE+s1E1=0      (9)

Решая систему, после  несложных преобразований получим:

   (10)

  (11)

В предельном случае, когда  электрод 2 удаляют на бесконечность от поверхности электрета, получается т.н. «свободный» электрет. Из 'формулы (11) видно, что поле в зазоре при этом исчезает, а в электрете становится равным:

   (12)

 

Последнее выражение  полностью совпадает с полем  плоского бесконечно протяженного конденсатора с диэлектриком. В этом нет ничего удивительного, так как и в электрете и в конденсаторе имеются два противоположных по знаку параллельных слоя зарядов, одинаковых по величине. Их электрические поля по принципу суперпозиции складываются, внутри векторы напряженности полей слоев сонаправлены. а вне - противоположно направлены и компенсируют друг друга. Итак, свободный электрет бесконечной протяженности не создает в пространстве электрического поля. Однако для реальных электретов (как и плоских конденсаторов) этот вывод может быть использован с известной осторожностью, так как у них имеются края заряженной области, вблизи которых поле неоднородно и силовые линии выходят наружу. Кроме того, при зарядке могут возникнуть неоднородности в распределении поверхностного заряда по площади электрета, что также приведет к выходу силовых линий из электрета в окружающее пространство.

В этом можно убедиться, поставив простейший эксперимент. Надо положить заряженный электрет на лабораторном столе и подождать несколько дней. Оседающая из воздуха пыль, которая притягивается к местам выхода силовых линий, «проявит» рельеф поверхностного заряда. В центре образца поверхность остается чистой или менее запыленной, чем по краям, где видны резкие полосы осажденной пыли. Опыт, разумеется, можно ускорить, искусственно распыляя пыль над поверхностью электрета

 

  Электрические поля электрета с пространственным зарядом

Теперь рассмотрим более  сложный случай, когда в электрете  имеется объемный заряд с плотностью ρ(х) (см. рис 8), а на поверхности пленки (при х=s) поверхностный заряд отсутствует (σ=0). Поле внутри электрета теперь не будет однородным. В этом легко убедиться, воспользовавшись уравнением Максвелла для вектора индукции электростатического поля:

     divD=ρ .(13)

В нашем случае ρ зависит  только от одной координаты (х), от одной  координаты будут зависеть напряженность и индукция электрического поля. Кроме того, векторы направлены вдоль оси ОХ, что позволяет рассматривать только одну их проекцию на эту ось, модуль которой равен модулю соответствующего вектора. Тогда в уравнении (13) получим:

или, с учетом связи  векторов D и Е:

   (14)

То, что производная Е(х) отлична от нуля, доказывает зависимость от х вектора Е, т.е. неоднородность поля внутри электрета. Аналогичное уравнение можно записать для зазора, где нет пространственного заряда:

 

  (15)

Поле Е,. очевидно, будет однородным. Система дифференциальных уравнений (14)-(15), дополненная двумя граничными условиями:

D1-D=0  или ε1ε0Е1-εε0Е=0        (16)

 V+V1=0  или

    (17)

позволяет решить задачу - найти электрические  поля в электрете и зазоре.

Интегрируя по х (14) и (15), получаем общее решение:

  (18)          E1=C2   (19)

в которое входят две произвольные постоянные - С/ и С,. Их легко найти, подставив (18) и (19) в граничные условия (16) и (17), в результате получается система двух алгебраических уравнений с двумя неизвестными:

 

Решая систему, находим  произвольные постоянные, а затем  и выражения для электрических полей в зазоре и пленке:

           (20)

   (21)

. Частные  случаи полей электретов с  пространственным зарядом

Полученные выражения  носят общий характер, из них можно  получить конкретные выражения для полей, если подставить выражение для объемной плотности захваченного заряда ρ(х).

                                                    

Электрет с поверхностным зарядом

Рассмотрим, например, случай, когда заряд распределен по поверхности с поверхностной плотностью ст. Найдем выражение для объемной плотности заряда.

Рассмотрим рис. 14

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 14

Выделим на пленке участок  площадью S и объемом V =Ss. Полный заряд выделенного участка Q=σS. С другой стороны, этот же заряд можно вычислить через объемную плотность заряда:

откуда получаем связь  σ и р(х):

         (22)

Плотность заряда ρ(х)в  пленке всюду равна 0, и только на самой поверхности (при х=s) обращается в бесконечность, так как весь заряд сосредоточен в слое бесконечно малого приповерхностного объема. В математике известна функция, обладающая такими свойствами - дельта-функция Дирака δ(х). Она равна нулю при всех значениях аргумента, кроме х = 0, при котором обращается в бесконечность. Логично поэтому представить объемную плотность заряда ρ (х) в виде произведения некоторой постоянной а на дельта-функцию δ(х-s), принимающую бесконечное значение при х = s:

ρ(x)=aδ(x-s)   (23)

 Дельта-функция обладает следующим свойством:

  (24)

где f(x)- произвольная функция.

Бесконечные пределы  можно заменить на конечные, включающие точку «скачка» дельта-функции, поскольку вне этой области подынтегральное выражение равно нулю. В нашем случае достаточно ограничиться пределами от 0 до s. Интегрируя (23) в этих пределах, по свойству (24) получаем:

      (25)

Сравнивая с (22), приходим к выводу, что постоянная а равна δ. Таким образом, выражение для ρ(х) приобретает вид:

ρ(х)=σδ(x-s)    (26)

Вычислим поля Е и E1, подставив в общие формулы (20) и (21) выражение (26):

Откуда после, несложных  преобразований, получаются уже известные  нам формулы (10) и (11).

 

Свободный электрет. «Прямоугольное» («ступенчатое») распределение заряда

В случае объемного заряда также можно рассмотреть случай свободного электрета, когда верхний электрод отсутствует (удален на «бесконечность»). В пределе при s1→∞ из (20) и (21) получаем:

E1=0  (27)

   (28)

Таким образом, вне электрета  поле также будет равно нулю. Остается найти только напряженность поля внутри диэлектрика,

Пусть ρ(х) имеет вид:

 

                                          а

Рис. 15. Свободный  электрет с «прямоугольным» распределением объемного заряда

Для нахождения поля Е(х) внутри пленки будем рассматривать две области: от х=0 до х=s-а, где заряд отсутствует, и от х=s-а до s, где плотность заряда постоянна и равна ρ0. Соответственно интегралы будут отличны от нуля только при интегрировании в пределах от s-a до s:

    (x<s-a)  (30)

   (31)

Объединяя, получим выражение  для Е(х):

    

Распределение поля внутри пленки показано на рис. 16

Рис. 16 Распределение  напряженности электрического поля внутри свободного электрета с «прямоугольным» распределением заряда

Как видно из рисунка, в области, где заряд отсутствует, электрическое  поле однородно, а в области однородного  распределения заряда - неоднородно, так как линейно убывает по мере приближения к поверхности.

 

Короткозамкнутый  электрет. «Прямоугольное» распределение заряда.

Если электрод 2 касается поверхности электрета, а внутри пленки создано «ступенчатое» распределение заряда вида (29), то поле внутри электрета будет находиться по формуле ( 21), в которой s1 = 0:

     (33)

Подставляя сюда (29) и  повторяя вычисления, получим:

    

 

График распределения  поля показан на рис. 17.

Рис. 17. Распределение  электрического поля внутри короткозамкнутого электрета со «ступенчатым» распределением заряда

Из рисунка видно, что  характерной чертой короткозамкнутого  электрета является наличие плоскости «нулевого поля», в которой напряженность поля обращается в нуль. В данном случае эта плоскость имеет координату

       (35)

По разные стороны  от плоскости нулевого поля направление  напряженности электрического поля различное, а у поверхностей электрета поле не равно нулю. Когда электрет равномерно заряжен по всей толщине, плоскость нулевого поля располагается посередине пленки.

Прямоугольные распределения заряда типа (29) редко встречаются на практике, но они удобны для моделирования  процессов релаксации заряда и потенциала электретов, так как упрощают математические преобразования. Полученные при этом результаты позволяют разобраться в сущности наблюдаемых на опыте процессов.

 Эффективная  поверхностная плотность заряда

В случае разомкнутой  цепи (s1→∞) поверхностный потенциал электрета с зарядом, сосредоточенным на поверхности пленки с поверхностной плотностью σ, равен:

    (36)

Если же заряд распределен  по объему пленки, можно ввести понятие  так называемой эффективной поверхностной плотности заряда σэфф. Для этого величину σэфф подбирают так, чтобы электрет, имеющий только поверхностной заряд с плотностью σэфф создавал в зазоре такое же внешнее поле Е1 и обладал поверхностным потенциалом таким же, как электрет с объемным зарядом. Действительно, в случае разомкнутой цепи поле внутри электрета определяется выражением:

Вычислим поверхностный потенциал.

  (37)

Обозначив , получаем выражение для поверхностного потенциала, идентичное (36):