По страницам старых публикаций

Кому не известно, что раз намагниченный кусок стали долгое время сохраняет магнитные свойства? А нельзя ли, подобно намагничиванию, сохранять в веществах и электрический заряд? С давних времен ученые задумывались над этим. В 1838 году Фарадеем была высказана мысль о возможности существования постоянной остаточной поляризации Некоторые вещества — непроводники (или, как их еще называют, диэлектрики) — можно представить состоящими из молекул, каждая из которых имеет вид как бы двух шариков (зарядов), скрепленных между собой жесткой связью, причем один шарик заряжен положительно, а другой — отрицательно. Такая молекула называется электрическим диполем.

 

 В обычном состоянии диполи диэлектрика расположены хаотически, так что вещество в целом не обнаруживает наличия электрического заряда. Но если внести такой диэлектрик в электрическое поле, то положительные заряды повернутся в сторону отрицательного заряда поля, а отрицательные — в сторону положительного, и тогда один конец диэлектрика будет заряжен положительно, а другой — отрицательно. Это явление будет называться поляризацией.

 Если диэлектрик вынести из электрического поля, то он вскоре перестает быть наэлектризованным. Как заставить его дли­тельное время сохранять поляризованное состояние? В 1922 году ученым Санто и Эгучи удалось впервые изготовить из смеси воска и смол образец, который прочно удерживал на своих концах разноименные заряды. За три года на них не было обнаружено заметного уменьшения зарядов. В дальнейшем вещества, обладающие таким свойством, назвали электретами (electret — подобно слову «магнит» — magnet). Электрет, как и магнит, можно разрезать по нейтральной линии и получить два электрета, можно срезать тонкий слой, и при этом также не нарушаются его свойства. Как же получают электрет? Если расплавить пчелиный воск и поместить его в электрическое поле, оставив в таком положении застывать, то застывший образец, после того как электрическое поле будет снято обладает свойствами электрета. Произошло как бы замораживание ориентированных в электрическом поле диполей, и эта ориентация сохраняется долгое время.

 Для того чтобы поляризация образца лучше сохранялась, его концы закорачивают проводником. При хранении образца без этой меры наблюдается некоторое уменьшение зарядов, которое восстанавливается после закорачивания концов образца Электрет не сразу нашел себе практическое применение. Объясняется это тем, что в основе его лежат механически непрочные и весьма легкоплавкие вещества. Первоначально электрет был применен в приборе электрометре (см. рис. 3 ). Пластинка электрета подвешивалась между двумя электродами. Если на электроды подано напряжение (измеряемый потенциал), го электрет поворачивается, а с ним поворачивается и зеркальце. Отраженный от него луч показывает на шкале угол пoвоpora. В 1945 году в конце войны американцы, захватив в качестве трофеев японские полевые телефоны и микрофоны, были удивлены тем, что микрофоны и телефоны не имели источников напряжения Разобрав эти микрофоны, они увидели в них воск.

То, что удивило американских специалистов связи, было не чем иным, как электретным конденсаторным микрофоном. Тогда же американцы вспомнили, что подобный микрофон был пред­ложен и сконструирован еще в 1935 году в Оксфордском университете. Как видно из рис. 2, перед электретом находится мембрана. Изменение расстояния до электрета, вызванное колебанием мембраны, вызывает изменение заряда на ней Эти электрические колебания передаются через трансформатор в линию а затем в телефон. Электретный микрофон может служить и как телефон. В отличие от современных угольных микрофонов с источниками питания электретный микрофон без источников питания дает на выходе напряжение в два раза большее. Советскими учеными Сканави, Губкиным и другими было изучено большое количество различных материалов, способных стать электретами. В своих опытах они получили электреты из твердых неорганических материалов, таких, как стеатит, фарфор, стекло, кварц. Но особенно их внимание привлекал титанат бария, который даже при длительном хранении устойчиво сохраняет заряды. Это оказалось большой неожиданностью. 

На Всесоюзной выставке достижений народного хозяйства можно увидеть электретные пластинки из титаната бария. Там же выставлен электретный микрофон. Титанат бария относится к сегнетокерамическим материалам. Чтобы получить из них твердые электреты их так же, как и воскообразные, нагревают, но не до плавления, а лишь на 200°С, с последующим охлаждением в электрическом поле. Для твердых диэлектриков характерны ионная и электронная поляризации. Вспомним, что в воскообразных электретах у нас была дипольная поляризация. Другое дело в сегнетокерамических. Если рассмотреть элементарную ячейку кристалла титаната бария, то можно увидеть, что в центре куба находятся ионы титаната, в вершинах куба — ионы бария, в центрах же граней куба — ионы кислорода. При нагреве и затем медленном остывании в электрическом поле происходит смещение ионов титана и кислорода. Это смещение называется ионной поляризацией. Она приводит к иска­жению формы ячейки и образованию остаточной поляризации.

 В 1937 году болгарским физиком академиком Г. Наджаковым был открыт еще один тип электретов. Г.Наджаков предложил назвать его фотоэлектретом. Фотоэлектреты отличаются от разобранных нами тепловых электретов (так называемых термоэлектретов) как по способу приготовления, так и по тем процессам, которые происходят при поляризации. Если в основе изготовления термоэлектретов лежит нагрев образца, а в отдельных случаях и расплавление с последующим охлаждением в электрическом поле, то фотоэлектреты при своем изготовлении не нагреваются. Г. Наджаков брал пластинку кристаллической серы, зажимал ее между двумя электродами. Затем на электроды подавал постоянное напряжение и одновременно освещал образец светом электрической лампы. Образец поляризовался в таком состоянии несколько минут. После этого поляризованный образец помещался в темное место. Наджаков брал проводник и закорачивал им в темном помещении образец. Тока еще не было. Но он появлялся, лишь только образец освещали. Это свойство и позволило назвать такие электреты фотоэлектретами по аналогии с фотоэлементами.

Непосредственно с электретами фотоэлектреты роднит то, что они долгое время  сохраняют электрический заряд. В 1955 году советским ученым В. М. Фридкиным и другими впервые была высказана мысль об использовании свойств фотоэлектрета сохранять заряды в темноте для получения скрытого электрофотографического изображения на поверхности фотоэлектрета. В основе электрофотографии лежит как процесс образования фотоэлектретного состояния в диэлектрике, так и процесс деполяризации при освещении. Разберем один из видов электрофотографии. На тонкую пластинку наносится слой фотоэлектрета.

Если теперь на фотоэлектре спроектировать изображение, то в наиболее ярком месте произойдет наибольшая компенсация зарядов. Таким образом, мы получим скрытое электрофотографическое изображение. Для проявления его поверхность электрета посыпают предварительно заряженным порошком асфальта. Частички асфальта оседают на заряженных участках, то есть там, где проектируются темные места, и проявляют изображение. Чтобы изображение перенести с поверхности фотоэлектрета на бумагу, фотоэлектрет с положенным на него листом бумаги помещают в поле коронного разряда Коронный разряд получают с игольчатого электрода, который соединяется с источником высокого напряжения, при этом на конце острия появляется светящееся облачко в виде короны. Частицы асфальта при этом процессе переходят с поверхности электрета на бумагу и формируют на ней изображение. Изображение на бумаге закрепляют оплавлением частичек асфальта путем подогрева над электроплиткой. В последнее время высказывается мысль о применении электрета в электрозапоминающих устройствах.

Так, если электроды, находящиеся на поляризуемом диэлектрике, расположить в желаемом порядке, то в таком же порядке произойдет местная поляризация диэлектрика — диэлектрик как бы запомнил расположение электродов. Заряд у электретов очень невелик — порядка 5—9—9 кулонов на квадратный сантиметр. Но если заряд удастся увеличить хотя бы в 100 раз, то есть ориентировать 1 молекулу из 10, то электретные генераторы станут серьезными соперниками электромагнитных. Другое свойство электретов — их способность изменять за­ряд под влиянием давления, влажности или степени ионизации воздуха — используется в барометрах, гидрометрах, дозиметрах альфа-, бета- или гамма-излучениях и т. д. Мощное электрическое поле, создаваемое электретами, открывает широкие перспективы для их использования в качестве воздушных фильтров и обеспыливателей. В электротехнике они понадобятся для поляризации сеток в электронных лампах как источники электрического поля для отклонения Электронных пучков, как источники высокого напряжения в счетчиках Гейгера-Мюллера и вообще повсюду, где нужно постоянное электрическое поле. Может быть создана и электретная лента наподобие магнитофонной. При этом запись на ленту производится с помощью электронного луча. Заряд, попадая на ленту, компенсирует со­ответствующий заряд на поверхности ленты. При обратном прокручивании ленты получаем отклонение электронного луча. Возможно, что, используя это свойство электретной ленты, удастся создать простой телеэлектретофон наподобие современного магнитофона.

 В настоящее время электреты еще не вышли из стен научно- исследовательских лабораторий, но, несомненно, они займут в нашей жизни такое же место, как и постоянный магнит. Взгляните на вкладку: весь телефон состоит из телефонной трубки. Он отлично обходится без всяких источников . Наушник обычный: мембрана и электромагнит. Микрофона же нет, мембрана не над угольным порошком, а над электретом, за которым помещается неподвижный электрод (рис. 2). А вот как обеспыливают воздух: в вентиляционную трубу вставляют электрет — к нему липнут частички пыли, которые всегда несут заряд (рис. 5). Слева внизу — получение фотоэлектрета (рис. 4). Наконец вашему вниманию представлен внешний вид и схема электростатического генератора, работающего на электрете (а); диск (б), в котором возникает электрический заряд, вибрирует под действием электромагнита (г); ток снимается с шин (д).

И. Крючков

Как самостоятельно сделать электрет

Рис. 1. Схема и внешний вид электростатического генератора: а) электрет, б) диск: в) шины, г) электромагнит, д) внешний вид Рис. 2 Телефон без источников литания Рис. 3. Схема электрометра: а) электрет. 6) электроды, в) лам почка; г) зеркало; д) шкала Рис. 4. Фотоэлектрет: а) электрет, б) свет Рис 5. Электрет-пылезадерживатель: а) электрет, б) пыль.