Предмет исследования: теоретический и технический потенциал электретов, как условие способствующее прогрессу науки и техники.
Вложение | Размер |
---|---|
elektrety._primenenie_elektretov.docx | 237.52 КБ |
МКОУ «НОВОМИРСКАЯ СОШ»
ТРОИЦКОГО МУНИЦИПАЛЬНОГО РАЙОНА
ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ
IX районная научно – практическая конференция
АВТОРЫ:
Баранников Александр, Горяинов Артем
7 класс, МКОУ «Новомирская СОШ»
(Научный)
Руководитель:
Асфандиярова Лилия Муллаахматовна
учитель математики,
первая квалификационная категория,
МКОУ «Новомирская СОШ»
2013
Введение
Все мы знаем о таких понятиях как магнетизм, постоянный магнит. Сталкивались с этим явлением в природе и технике. Магниты в виде кусков железной руды часто встречаются в природе и известны с очень давних времён. Вещества, которые намагничиваются в магнитном поле - называются ферромагнетиками. Нам известно о свойствах и природе магнетизма, а об электретах мы не знаем ничего, хотя в быту с ними встречаемся часто. Диэлектрики способные создавать вокруг себя электрическое поле называются электретами. В древности люди часто сталкивались с этим явлением, электризация серы, янтаря, воска, смол. Но широкого применения не получили. Когда была обнаружена связь между магнитными и электрическими явлениями то ученые пришли к выводу что электрет - электрический аналог магнита. Первые научные сведения об электретном состоянии есть в работах английского ученого С. Грея (1732 г.), М. Фарадея (1839 г.). Термин «электрет» впервые ввёл О. Хевисайд (1892 г.), а изучать это явление начал японский физик М. Егучи в 1919 г. Егучи помещал расплавленный воск между двумя электродами, к которым прикладывалось высокое напряжение. После выдержки в электрическом поле воск охлаждался до отвердевания, после чего напряжение отключалось, а электроды отделялись от образца. На гранях воска, обращенных к электродам, был обнаружен электрический заряд, противоположный по знаку заряду на электродах. В природе в естественном состоянии электреты не встречаются. Электрет можно получить только исскуственно. В 1943 году во время боевых дейст-вий на Тихом Океане американский флот захватил японский эсминец. Для изучения вражеской техники на корабль прибыли специалисты флота, осмотрели всё - от трюма до капитанской рубки. Связист подробно изучил систему телефонной связи, она работала как часы. Одного он не мог понять, как система может работать без источника питания, ни батарей, ни аккумуляторов не было и в помине! Физики разобрались в принципе работы телефонной связи на японском корабле. Её работа стала возможной благодаря открытию японского физика М.Егучи, ещё в 1922 году получившему новые материалы - электреты (с 1922 года работу с электретами Егучи проводил в обстановке строжайшей секретности для министерства обороны Японии). Электреты – это поляризованные диэлектрики, состоящие из жестких электрических диполей, которые в электрическом поле напряженностью около 10 000 В/см переводятся в аморфное твердое состояние и сохраняют поляризацию длительное время. Таким образом, электреты являются аналогом постоянного магнита, но обладают не магнитным полем, а электростатическим полем. Егучи получал электретные материалы из смеси смолы карнаубской пальмы и воска. После застывания таблетка электрета сохраняла электростатический заряд высокой напряженности в течение нескольких часов. Современные электреты могут сохранять заряд до 100 лет, величина заряда достигает 5*10-8 Кл/см.
Рис.1 Схема опыта Егучи:
1. Накладной металлический электрод
2. Металлическая банка
Объект исследования: электреты, виды различных электретов.
Предмет исследования: теоретический и технический потенциал электретов, как условие способствующее прогрессу науки и техники.
Целью исследовательской работы является: теоретическое и практическое обоснование теории электретных свойств вещества. Гипотеза исследования: рассмотреть насколько широк диапазон использования электретных свойств электретов Задачи исследования:
1. Изучение влияния теоретических основ электрических свойств электретов.
2. Ознакомиться с видами электретов и со способами создания их.
3. Научиться самостоятельно создавать простейшие электреты.
4. Ознакомиться со сферой применения электретов.
Теоретические основы проведенного исследования. При разработке подходов, содержания и логики исследования опирались на:
- теории электретного эффекта М. Фарадея, О. Хевисайд, М. Егучи, Б. Гросса, Г Сесслера, К. Икезаки, М. Перлмана, А.Н. Губкина. Актуальность
Электреты изучаются сравнительно недавно. Но с каждым годом диапазон сфер использования электретов увеличивается. Радиоэлектроника, космические приборы, металлургия, атомные электростанции, машиностроение, добыча угля и полезных ископаемых, медицина, сельское хозяйство. Электреты повышают урожайность, сокращают расход опасных ядохимикатов, спасают людей , снижают расход топлива, повышают мощность двигателей , уменьшают токсичность выхлопных газов. Электреты малогабаритны. Перспективы электретов огромны.
Основная часть:
История развития электретного эффекта
В 40-е гг. ХХ в. интерес к электретному эффекту увеличился в связи
с изобретением ксерографии – способа копирования документов методом электрографии. Для этого используют пластины, покрытые слоем полупроводника, который в темноте обладает высоким удельным сопротивлением, не отличаясь по существу от диэлектрика. Поверхность равномерно заряжают в темноте, получая тем самым электрет, который достаточно долго удерживает сообщённый ему заряд. Затем на поверхность проецируют изображение копируемого документа. В местах, где полупроводник освещён, световые кванты генерируют носители заряда (явление внутреннего фотоэффекта) – электроны и дырки, которые, двигаясь в электрическом поле электрета, компенсируют поверхностный заряд в освещённых местах. В тех же местах, куда свет не попадает, заряд остаётся. Получается «электрическое изображение». Его проявляют, распыляя над поверхностью специальный порошок, прилипающий к заряженным участкам пластины. Прижимая лист бумаги к пластине, переносят порошок на бумагу. Для закрепления изображения необходимо предотвратить осыпания порошка. Для этого лист нагревают, порошок плавится и прочно скрепляется с бумагой. Этот процесс до сих пор является основой работы многих копировальных аппаратов, лазерных принтеров.
Подъём исследований по электретам начался в 60-е годы ХХ в. В 1962 г. создан первый электретный микрофон. Это был первый электроакустический преобразователь – устройство, преобразующее механические колебания акустических частот в электрический сигнал того же диапазона частот (микрофон), либо электрических колебаний звуковой частоты в механические колебания (телефон, громкоговоритель). Электретные микрофоны стали выпускать серийно. Позже появились (электретные телефоны и динамики, акустические системы для воспроизведения звука). Практика опережала теорию, так как электретный эффект в полимерных диэлектриках был в то время еще недостаточно изучен.
. Потребности производства, интерес ведущих фирм, выпускающих звукозаписывающую и звуковоспроизводящую аппаратуру стимулировали исследования ряда зарубежных ученых. В 60-70-е гг. появляются основополагающие работы Б.Гросса, Г.Сесслера, М.Перлмана, И. Ван Тюрнхаута. К.Икезаки, X. фон Зеггерна и мн. др. Стали вестись работы и в нашей стране. Появляются статьи и монографии А.Н.Губкина, Г.А.Лущейкина, О.А.Мяздрикова и В.Е.Манойлова, В.М.Фридкина, П.Н.Ковальского и А.Д.Шнейдера, Е.Т.Кулина и др.
В 70-80-е гг. складывается школа электретных исследований в ЛГПИ им.
А.И.Герцена (В.Г.Бойцов с сотрудниками), МИЭМ (А.Н.Губкин с сотрудниками. В эти же годы исследования проводились также и других вузах страны. Результаты внедрялись в производство электретных микрофонов на тульском предприятии «Октава».
Рост интереса к электретам связан с бурным развитием физики и химии полимеров. Практически все применяемые на практике электреты изготовляются из полимерных диэлектриков. Наиболее удачными оказались фторполимеры - политетрафторэтилен (ПТФЭ), сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом ЩТФЭ-ГФП). Изучается возможность использования в качестве материала для производства электретов полиолефинов, особенно полипропилена, который значительно дешевле фторполимеров. Ведется поиск других полимерных диэлектриков с более высокими электретными свойствами. Теоретические основы электретного эффекта.
Перейдем теперь к систематическому изложению теории электретного эффекта. Электреты - диэлектрики, способные накапливать и длительно сохранять электрический заряд или поляризацию.
Они могут создавать в окружающем пространстве электростатическое поле. Существует электрическое поле и внутри заряженного или поляризованного электрета. Отметим, что наличие в диэлектрике поля или поляризации в отсутствие внешнего электрического поля еще не является признаком электретного состояния. Действительно, они могут существовать в сегнетоэлектриках - веществах, обладающих спонтанной (самопроизвольной) поляризацией.Сегнетоэлектрики (сегнетова соль, титанат бария и др. кристаллические вещества) по своим свойствам во многом аналогичны ферромагнетикам. В тех и других имеются области - домены, - где магнитные или дипольные электрические моменты ориентированы параллельно друг другу без всякого воздействия внешнего магнитного или электрического поля. При внесении в поле ферромагнетики намагничиваются, а сегнетоэлектрики приобретают поляризацию, на их гранях появляются связанные заряды, не исчезающие после выключения поля. Те и другие имеют точки Кюри и т.п. Характерным свойствам сегнетоэлектриков и ферромагнетиков является то, что намагничевание или спонтанная поляризация существует в них в состоянии термодинамического равновесия и может сохраняться сколь угодно долго, если внешние условия неизменны. При нагревании до точки Кюри спонтанная поляризация и намагничевание исчезают, происходит фазовый переход, в результате которого сегнетоэлектрик становится обычным полярным диэлектриком, а ферромагнетик - парамагнетиком, при охлаждении происходит обратный фазовый переход, в результате которого восстанавливаются сегнето- или ферромагнитные свойства.
Типы электретов
Электреты могут классифицироваться 1) по типу электрически неравновесногосостояния диэлектрика (электреты с «истинной», ориентационной дипольной поляризацией; электреты с объемно-зарядовой поляризацией; с избыточным внедренным зарядом; комбинированные), 2) материалу диэлектрика (неорганические кристаллические электреты, полимерные электреты, биоэлектреты и т.п.),
3) методу получения (термо-электреты, электроэлектреты, короноэлектреты, радиоэлектреты, фотоэлектреты, механоэлектреты, трибоэлектреты и т.п.).
Получение электретов
Вместо канифоли и касторового масла можно между электродами в баночке поместить какой-нибудь полимер (т.е. пластмассу: например капрон), растворенный в небольшом количестве растворителя, подать высокое напряжение и после полного испарения растворителя - электрет готов.
В настоящее время электреты широко применяются для изготовления микрофонов, акустических излучателей и тахометрических датчиков. Из электрета можно изготовить запускающее устройство для включения ламп дневного света (у которых сгорели спирали). Схема включения лампы стандартная (с дросселем, кнопка на размыкание, выводы спиралей замкнуты, стартер убран).
Для запуска лампы достаточно рядом с ней быстро провести таблеткой электрета. Если рядом с лампой подвесить таблетку электрета на пружине со шнурком, то получится включатель, выключать лампу можно выключателем S1. Если, наконец, изготовлением электрета нет возможности заняться , то возьмите кусок пенопласта – потрите его о свой любимый свитер и у вас в руках “модель” электрета с небольшим временем жизни. Энергично заряженным пенопластом проведем рядом с лампой – лампа загорается и горит!! Вы сможете натренироваться и зажигать лампу на больших расстояниях (у меня получалось это сделать на расстоянии от лампы до 2 метров) с электретом конечно расстояния будут поменьше. Неоновые лампы ярко вспыхивают около перемещающегося электрета (в поле высокой напряженности
Электреты с истинной, ориентационной дипольной поляризацией получают из полярных диэлектриков, в которых молекулы, группы атомов, звенья, сегменты и т.п. структурные и кинетические единицы имеют постоянный дипольны момент. В качестве таких диэлектриков могут служить смолы, отдельные полимерные материалы (ПММА - оргстекло, ПВДФ, ПК и др.). Последние применяются в современных условиях чаще всего. Электреты с объемно-зарядовой поляризацией (ОЗП)(получают по следующей схеме. В диэлектрике путем внешнего воздействия (нагревания, освещения, рентге-новского облучения) вызывают появление пар носителей заряда.
Электризация диэлектриков может происходить при трении (трибоэлектреты), при облучении потоком электронов, протонов, положительных или отрицательных ионов, воздействии электрических разрядов (искрового, коронного, тлеющего). Наиболее широко используется для электризации диэлектриков коронный разряд, в результате которого получаются короноэлектреты.
Применение электретов
1. Биолектреты.
Исследования учёных показали что существуют биоэлектреты. Внутренние стенки кровеносных сосудов несут связанный отрицательный заряд. Потенциал, создаваемый биоэлектретами, медики назвали дзетапотенциалом. Элементы крови - эритроциты, тромбоциты, лейкоциты – также заряжены отрицательно. Как только дзета-потенциал исчезает (из-за болезни, повреждения сосуда), кровь сворачивается, образуется тромб. Образование тромбов внутри сосуда приводит к серьёзному заболеванию тромбофлебиту. Уже давно делают искусственные кровеносные сосуды с отрицательным зарядом - электреты. Проблема тромбообразования - одна из немногих проблем, возникающих при создании искусственного сердца
2.Электреты в технике.
Электретная форсунка . Без внешних источников питания вода, распыляясь форсункой, дает факел с большим количеством заряженных капель. Если сделать форсунку без электрета, то в факеле будет 3-5% заряженных капель. Электретная форсунка дает в 10 - 15 раз больше. Заряженные капельки воды энергично захватывают пыль из воздуха. Поэтому электретные форсунки используют в уголных шахтах, где много пыли. Орошение запыленного воздуха вблизи угольных комбайнов подавляет угольную пыль, снижают опасность взрыва и улучшает условия труда шахтёров. Если изменить знак заряда электрета на форсунке, то можно заставить её работать в обращенном режиме, т.е. гасить заряды капель распыляемой жидкости. При распылении, например бензина или другого взрывоопасного топлива, можно таким образом предотвращать самопроизвольное возгорание или взрыв топлива от статистического электричества. Небольшие замкнутые объемы воздуха можно полностью очистить от пылинок с помощью пленок электрета с дискретным поверхностным зарядом, которые наклеивают на стенки объема.
Трибоэлектрет - получают трением. Из трибоэлектрета можно изготовить простой наушник, который без всяких преобразователей и усилителей будет воспроизводить программу местного радиовещания. Для этого нужна фторопластовая или лавсановая пленка толщиной 10 – 30 микрон. Пленки эти в настоящее время широко распространены. Нужна также бытовая алюминиевая фольга, а также две чистые сухие шерстяные тряпочки, небольшой кусок наждачной бумаги и два тонких провода. Вырезать прямоугольный кусок пленки размером 10* 5 см. Расстелить пленку на шерстяной ткани. Пленку потереть второй шерстяной ткани. Пленка поляризуется. Образовался электрет. Из фольги изготовить прямоугольные электроды. Фольгу нужно положить на наждачную бумагу и ребром ладони с небольшим усилием провести по поверхности фольги, фольга стала шероховатой.Тоже самое нужно сделать со второй фольгой. На фольгу укладывается электрет. На электрет укладывается вторая фольга. К выступающим краям-электродам необходимо прикрепить провода . Включив эту простую систему в радиосеть услышите голос диктора
Цели и задачи поставленные в начале работы достигнуты. Электрет - электрический аналог магнита. Электреты способствуют прогрессу науки и техники. Диапазон использования электретов очень широк. Теоретические основы электретов изучены. Рассмотрены виды электретов и способы их создания. Созданы простейшие электреты. Познакомились со сферой применения электретов.
1. Введение. 2. Основная часть. 3. Заключение. 4. Литература. 5. Приложение.
Рис.1 Схема опыта Егучи:
1. Накладной металлический электрод
2. Металлическая банка
Рис.2.
Рис.3. Электретный микрофон
Рис. 4. Простейший электрет
Рис.5.Действующий макет электретного приёмника ленточного типа
Рис.6. Действующая модель электретного приёмника ленточного типа
Рис.7. Вечный электретный двигатель с вращающейся шторкой
Рис.8
Рисуем лошадь акварелью
Невидимое письмо
Рисуем кактусы акварелью
Что есть на свете красота?
Украшаем стену пушистыми кисточками и помпончиками