Исследование релаксации поляризации закороченных термоэлектретов из ионных диэлектриков
Стрюнгис Ринат Фатекович, 10 класс, средняя общеобразовательная школа №91 РАО, lazybones@rambler.ru
Научный руководитель: , студент МФТИ,svs-home@istel.ru
Данная работа посвящена изучению релаксации поляризации электретов - диэлектриков, длительно сохраняющих наэлектризованное состояние и создающих поле в окружающем пространстве. Электреты применяются как источники постоянного электрического поля в бытовой технике (например, в микрофонах и телефонах) и специальных приборах (дозиметры, вольтметры, электретные двигатели и т. п.) [1,6].
Стабильные электреты могут быть получены путем нагревания диэлектриков до температуры плавления или ниже и последующего охлаждения их в сильном электрическом поле [1,3,4]. Изготовленный таким образом электрет называется термоэлектретом. Целью настоящей работы являлось выяснение механизмов релаксации поляризации электретов из исследуемых веществ, нахождение спектра собственных времен релаксации, установление зависимости вида этого спектра от внешнего экранирующего поля, действующего на электрет.
|
Изготовленный таким образом электрет помещался в металлическую коробку с отверстием в верхней грани, в которое вставлялся электростатический флюксметр (Рис.2). Головка флюксметра (Рис.1) представляла собой систему из трех пластин, две из которых имели секторные вырезы. При вращении нижней пластины она экранировала верхние две от измеряемого поля, в результате чего на них появлялся переменный сигнал, который усиливался при помощи селективного усилителя с резонансной частотой, соответствующей частоте вращения нижней пластины, и измерялся. Этот сигнал пропорционален измеряемому полю. Зная поле внутри коробки, можно было узнавать поле внутри электрета.
Во всех опытах с парафином и воском измеряемая зависимость электрического поля от времени представляла собой сумму одной или двух экспонент с характерными временами от нескольких минут до десятков часов. При этом характерные времена релаксации и их количество для данного вещества не зависели от геометрии электрета, величины поля, использованного при электризации и начального распределения свободного заряда и поляризации внутри электрета. Было доказано (см. полный текст), что скорости изменения всех видов поляризации и свободного заряда внутри электрета линейно зависят от их значений, что возможно при выполнении в данных диэлектриках закона Ома и наличии тепловых дипольной или ионной поляризаций [2].
Временная зависимость поля электрета из парафина (Рис.3) представляет собой одну экспоненту, характерное время которой одинаково для электретов, наэлектризованных 
контактно и неконтактно, и совпадает с временем рассасывания заряда в конденсаторе, заполненном парафином. В ходе работы удалось установить, что электретный эффект и релаксация заряда обусловлены только проводимостью парафина, возникающей в нем из-за наличия примесей и загрязнений.
Электретный эффект в воске обусловлен не только малой проводимостью, но и ориентацией имеющихся там полярных молекул или радикалов. Временная зависимость для электретов из воска, наэлектризованных неконтактным способом, является суммой двух экспонент, соответствующих релаксации дипольной и ионной поляризации (Рис.4).
При контактной электризации воска наблюдалось также поле гомозаряда [6]. В зависимости E(t) появлялся третий член, связанный с растеканием зарядов, перешедших в диэлектрик с электродов при электризации. В этом случае в некоторый момент наблюдалось падение поля электрета до нуля, а потом - его возрастание (Рис.5), и асимптотическое стремление к нулю.
В случае электретов из канифоли на зависимость поля от времени влияют геометрия электрета и начальное распределение поляризации и заряда, при этом времена релаксации поляризации электретов существенно превышают время потери заряда в заполненном канифолью конденсаторе (Рис. 6,7). Это связано с такими явлениями как подвижность избыточного заряда [1]. В ходе работы удалось объяснить теоретически (см. полный текст) временную зависимость поля плоскопараллельного слоя канифоли в предположении, что избыточный заряд вначале находится в тонком приповерхностном слое.
При помещении электрета в металлическую коробку его поле частично экранируется, т. к. на поле самого электрета накладывается поле, созданное наведенным на коробке зарядом. Величина экранирующего поля при этом зависит от параметров коробки. Получая временные зависимости полей электретов при различных параметрах коробки, удалось установить, что вид этих зависимостей не изменяется при изменении параметров коробки, а изменяются только характерные времена релаксации. Наличие экранировки изменяет в определенное количество раз скорость релаксации поляризации, происходящей под действием внутреннего поля электрета, и не влияет на тепловые процессы релаксации (разориентация диполей, переход в равновесное состояние смещенных ионов). Для всех исследуемых веществ была объяснена зависимость характерных времен релаксации от параметров экранировки.
Список литературы
1. Электреты/ Под редакцией Г. Сесслера, М.:Мир, 1983
2. Г. И. Сканави Физика диэлектриков (Область слабых полей), М.-Л., 1949
3. Физический Энциклопедический Словарь, Советская Энциклопедия, 1965
4. Д. В. Сивухин Общий курс физики Электричество, М.:Наука, 1979
5. С. А. Гриднев Диэлектрики с метастабильной электрической поляризацией //Соросовский образовательный журнал, 1997, N5
6. Ю. А. Гороховатский Электретный эффект и его применение //Соросовский образовательный журнал, 1997, N8
Основные порталы (построено редакторами)