Обзор существующих моделей электретного эффекта

фторопластат электрет заряд металлизация Первое объяснение электретного эффекта было предложено Егучи в 1920—1925 гг. Основываясь на экспериментально доказанном факте объемности электретного заряда, Егучи сделал вывод, что при нагревании диэлектрика полярные молекулы в нем получают возможность ориентироваться под действием поля, а при остывании материала в присутствии электрического поля молекулы теряют способность к вращению и остаются в ориентированном состоянии. Упорядоченное расположение дипольных молекул может сохраняться достаточно долго, поэтому после выключения внешнего поля в диэлектрике сохраняется остаточная поляризация, а на поверхности располагаются связанные заряды.

Другой японский физик Сато пытался объяснить электретный эффект «замораживанием» ионов. В расплавленной смеси положительные ионы под действием электрического поля смещаются к катоду, а отрицательные — к аноду. После застывания смеси при наличии внешнего электрического поля ионы остаются смещенными, так как электропроводность воска в твердом состоянии значительно уменьшается.

Недостатком недостаток этих теорий в том, что они не рассматривали возможность образования гомозаряда. Впервые объяснить его существование попытался Наката в 1927 г., связывая появление гомозаряда с контактными явлениями на границе металл—диэлектрик [2].

Адамс в 1927 г. впервые высказал идею двойственности зарядов в электрете. Он предположил, что гетерозаряд электрета вызван остаточной поляризацией, возникающей в диэлектрике вследствие ориентации дипольных молекул в сильном электрическом поле, с большим временем релаксации. Гомозаряд обусловлен свободными зарядами, которые стремятся компенсировать связанные, вследствие омической проводимости материала электрета. Причем в начальный момент времени после электретизации гетерозаряд полностью нейтрализован свободным зарядом, так что полный заряд электрета равен нулю. Затем остаточная поляризация начинает уменьшаться, и на поверхности электрета появляется свободный заряд, совпадающий по знаку с гомозарядом. Этот свободный заряд возрастает, а затем начинает спадать в появившемся внутреннем поле электрета. Присутствие двух зарядов различной природы, изменяющихся со временем по различным законам, дает возможность объяснить основные свойства электретов.

Согласно Адамсу гетерозаряд спадает в следствие тепловой разориентации по закону:

(1.1).

где — величина, обратная периоду релаксации остаточной поляризации.

Релаксация гомозаряда по Адамсу определяется электропроводностью вещества.

. (1.2).

Здесь — поле незакороченного электрета, — электропроводность вещества, — относительная диэлектрическая проницаемость, — диэлектрическая постоянная.

Измеряемая поверхностная плотность заряда равна разности величин реального заряда (гомозаряда) и остаточной поляризации, так что в любой момент времени справедливо выражение.

. (1.3).

Решение уравнения (1.3) с учетом выражений (1.1) и (1.2) имеет вид.

(1.4).

где — величина, обратная времени релаксации гомозаряда.

Из последнего выражения легко находится время, при котором заряд достигает максимального значения, а также определяется величина этого заряда Недостаток теории Адамса указал Гемант [3]. Он подчеркнул, что наблюдаемая величина и устойчивость гомозаряда объяснимы лишь при такой величине начальной поляризации, которая не может быть достигнута в диэлектрике даже при полной ориентации всех диполей. Поэтому Гемант предположил, что гетерозаряд термоэлектретов обусловлен смещением слабосвязанных ионов и «замораживанием» их в потенциальных ямах при охлаждении диэлектрика в электрическом поле. Возникновение гомозаряда Гемант связывал с пьезоэлектрическим эффектом, вызванным деформацией диэлектрика в направлении, перпендикулярном поляризующему полю.

В 1953 г. Гемант предпринял попытку создать молекулярную теорию электретного эффекта. Согласно новой теории гетерозаряд образуется путем смещения ионов и ориентации диполей при поляризации, а гомозаряд возникает вследствие ионизации воздушного промежутка между диэлектриком и электродом и инжекции зарядов в диэлектрик, если поляризующее поле имеет достаточную напряженность.

Переход гетерозаряда в гомозаряд происходит путем нейтрализации смещенных к электродам ионов ионами проводимости. Часть гетерозаряда при этом исчезает, и число инжектированных ионов, противоположных по знаку смещенным ионам, начинает превышать число связанных диполей. Результирующий заряд электрета соответствует по знаку гомозаряду, т. е.

Временные зависимости поверхностной плотности заряда электрета.

Рисунок 1.1 Заряд 1 — гетерозаряд; 2 — гомозаряд; 3 — суммарный заряд Происходит обращение знака заряда. Длительное сохранение электретного состояния объясняется тем, что инжектированные ионы притягиваются к диполям, а последние образуют устойчивую доменную структуру. Таким образом длительное существование как гетеротак и гомозаряда в электрете объясняется устойчивой остаточной дипольной поляризацией. Характер изменения заряда электрета во времени при этом определяется суперпозицией релаксации гомои гетерозарядов.

В 1944 г. Гросс, основываясь представлениях Адамса, выдвинул новую теорию электретного эффекта, отказавшись от молекулярного рассмотрения механизма образования гетерои гомозарядов электретов. Согласно предложенной теории гетерозаряд может быть образован по одному из трех механизмов: «вмерзание» ориентированных диполей после остывания диэлектрика, «вмерзание» сместившихся в электрическом поле ионов, «застывание» зарядов образованных на макронеоднородностях диэлектрика.

Гомозаряд, по Гроссу, образуется благодаря переходу зарядов из электродов в диэлектрик в процессе поляризации. Основную роль здесь играют локальные пробои воздуха в промежутке электрод—диэлектрик. При каждом таком пробое образуется лавина электронов и ионов, которые осаждаются на поверхности электрета и затем втягиваются электрическим полем внутрь.

Поскольку механизмы образования гетерои гомозарядов различны, может быть различной и природа этих зарядов. Гомозаряд всегда образуется за счет «внешних» электронов и ионов, а гетерозаряд — за счет ориентации или смещения внутренних дипольных молекул и ионов диэлектрика с последующей их фиксацией. Теория Гросса объясняет двойственную природу заряда электретов и связанное с ней обращение заряда.

Теория Геманта-Гросса не является универсальной при объяснении природы гетерозаряда. А. Н. Губкин и Г. И. Сканави создали устойчивые электреты на поликристаллических неорганических диэлектриках, поляризационнные процессы в которых связаны с электронным и ионным смещением.