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Electret

Un electreto (formado a partir de la combinación de electr- de " electricidad " y -et de " imán ") es un material dieléctrico que posee una polarización eléctrica casi permanent...

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Un electreto (formado a partir de la combinación de electr- de " electricidad " y -et de " imán ") es un material dieléctrico que posee una polarización eléctrica casi permanente . Un electreto tiene campos eléctricos internos y externos , y es el equivalente electrostático de un imán permanente .

El término electreto fue acuñado por Oliver Heaviside [ 1 ] para un material (típicamente dieléctrico ) que tiene cargas eléctricas de signo opuesto en sus extremos. [ 2 ] Algunos materiales con propiedades de electreto ya eran conocidos por la ciencia y se habían estudiado desde principios del siglo XVIII. Un ejemplo es el electróforo , un dispositivo que consiste en una lámina con propiedades de electreto y una placa metálica separada. El electróforo fue inventado originalmente por Johan Carl Wilcke en Suecia en 1762 [ 3 ] y mejorado por Alessandro Volta en Italia en 1775. [ 4 ] El primer caso documentado de producción fue por Mototarô Eguchi en 1925 [ 5 ] quien fundió un material dieléctrico adecuado, como un polímero o cera que contenía moléculas polares, y luego lo dejó solidificar en un campo eléctrico potente. Las moléculas polares del dieléctrico se alinean en la dirección del campo eléctrico, produciendo un electreto dipolar con una polarización cuasipermanente . Los electretos modernos a veces se fabrican incrustando cargas en exceso en un dieléctrico altamente aislante, por ejemplo, utilizando un haz de electrones , una descarga de corona , la inyección desde un cañón de electrones , una ruptura eléctrica a través de un espacio o una barrera dieléctrica. [ 6 ] [ 7 ]

Tipos de electreto

Existen dos tipos de electretos:

Similitud con los imanes

Los electretos, al igual que los imanes, son dipolos. Otra similitud reside en sus campos: generan un campo electrostático (a diferencia de un campo magnético ) fuera del material. Cuando un imán y un electreto se encuentran cerca, la fuerza de Lorentz actúa sobre ellos: mientras están en reposo, ninguno ejerce efecto alguno sobre el otro. Sin embargo, cuando un electreto se mueve con respecto a un polo magnético, se experimenta una fuerza perpendicular al campo magnético, que empuja el electreto en una dirección perpendicular a la dirección esperada de dicho empuje, similar a la que se sentiría con otro imán.

Similitud con los condensadores

Existe una similitud entre un electreto y la capa dieléctrica utilizada en los condensadores ; la diferencia radica en que los dieléctricos de los condensadores presentan una polarización inducida transitoria, dependiente del potencial aplicado, mientras que los dieléctricos con propiedades de electreto exhiben un almacenamiento de carga o polarización casi permanente. Algunos materiales también muestran ferroelectricidad (es decir, reaccionan a los campos externos con una histéresis de la polarización). Los materiales ferroeléctricos pueden retener la polarización de forma permanente debido a su equilibrio termodinámico, por lo que se utilizan en condensadores ferroeléctricos . Si bien los electretos se encuentran únicamente en un estado metaestable , aquellos fabricados con materiales de muy baja fuga pueden retener el exceso de carga o polarización durante muchos años. Un micrófono de electreto es un tipo de micrófono de condensador que elimina la necesidad de una tensión de polarización de la fuente de alimentación mediante el uso de un material cargado permanentemente.

Materiales

Los materiales electretos son bastante comunes en la naturaleza. El cuarzo y otras formas de dióxido de silicio, por ejemplo, son electretos naturales. Actualmente, la mayoría de los electretos se fabrican a partir de polímeros sintéticos , como fluoropolímeros , polipropileno , tereftalato de polietileno (PET), etc. Los electretos de carga real contienen cargas en exceso positivas o negativas, o ambas, mientras que los electretos de dipolo orientado contienen dipolos orientados. Los campos eléctricos internos o externos casi permanentes creados por los electretos pueden aprovecharse en diversas aplicaciones.

Fabricar

Los electretos a granel se pueden preparar calentando o fundiendo el material y luego enfriándolo en presencia de un campo eléctrico intenso. El campo eléctrico reposiciona los portadores de carga o alinea los dipolos dentro del material. Cuando el material se enfría, la solidificación "congela" los dipolos en su posición. Los materiales utilizados para los electretos suelen ser ceras , polímeros o resinas . Una de las primeras recetas consiste en 45 % de cera de carnauba , 45 % de colofonia blanca y 10 % de cera de abeja blanca , fundidos, mezclados y dejados enfriar en un campo eléctrico estático de varios kilovoltios/cm. El efecto termodieléctrico , relacionado con este proceso, fue descrito por primera vez por el investigador brasileño Joaquim Costa Ribeiro .

Los electretos también pueden fabricarse mediante la incorporación de carga negativa en exceso dentro de un dieléctrico utilizando un acelerador de partículas , o mediante la deposición de cargas en la superficie o cerca de ella utilizando descargas de corona de alto voltaje , un proceso denominado carga de corona . La carga en exceso dentro de un electreto decae exponencialmente. La constante de decaimiento es función de la constante dieléctrica relativa del material y su resistividad volumétrica . Los materiales con resistividad extremadamente alta, como el PTFE , pueden retener la carga en exceso durante muchos cientos de años. La mayoría de los electretos producidos comercialmente se basan en fluoropolímeros (por ejemplo, teflón amorfo ) mecanizados en películas delgadas.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Heaviside, Oliver (1894). Artículos sobre electricidad . Macmillan and Company. págs. 488–493 . 
  2. ↑ Gutmann, F. (1948). "El electreto" . Reviews of Modern Physics . 20 (3): 457– 472. Bibcode : 1948RvMP...20..457G . doi : 10.1103/RevModPhys.20.457 . ISSN 0034-6861 . 
  3. ↑ Vetenskapsakademien (Estocolmo), Kungliga Svenska (1762). Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens handlear (en sueco). Almqvist y Wiksell.
  4. ↑ Pancaldi, Giuliano (2005). Volta: Ciencia y cultura en la Ilustración . Princeton University Press. pp. Capítulo 3. ISBN  978-0-691-12226-7.
  5. ↑ Eguchi, Mototarô (1925). "XX. Sobre el electreto permanente" . The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 49 (289): 178– 192. doi : 10.1080/14786442508634594 . ISSN 1941-5982 . 
  6. ↑ Gross, B. (1980), "Almacenamiento de carga inducido por radiación y efectos de polarización" , en Sessler, Gerhard M. (ed.), Electrets , Topics in Applied Physics, vol. 33, Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, pp. 217–284 , doi : 10.1007/3540173358_12 , ISBN   978-3-540-17335-9, consultado el 22 de enero de 2024
  7. ↑ Tsai, Peter P.; Schreuder-Gibson, Heidi; Gibson, Phillip (2002). "Diferentes métodos electrostáticos para fabricar filtros de electreto" . Journal of Electrostatics . 54 ( 3–4 ): 333–341 . doi : 10.1016/S0304-3886(01)00160-7 .
  8. 1 2 Sessler, GM (1980), "Principios físicos de los electretos" , en Sessler, Gerhard M. (ed.), Electretos , Temas de física aplicada, vol. 33, Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, pp. 13–80 , doi : 10.1007/3540173358_10 , ISBN   978-3-540-17335-9, consultado el 22 de enero de 2024
  9. ↑ Gerhard-Multhaupt, R. (2002). "Menos puede ser más. Los agujeros en los polímeros conducen a un nuevo paradigma de materiales piezoeléctricos para transductores de electreto". IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation . 9 (5): 850– 859. Bibcode : 2002ITDEI...9..850G . doi : 10.1109/TDEI.2002.1038668 . ISSN 1070-9878 . 
  10. ↑ Zhang, X.; Hillenbrand, J.; Sessler, GM (2007). "Ferroelectretos con estabilidad térmica mejorada hechos de capas de fluorocarbono fusionadas" . Journal of Applied Physics . 101 (5): 054114–054114–8. Bibcode : 2007JAP...101e4114Z . doi : 10.1063/1.2562413 . ISSN 0021-8979 . 

Patentes

  • Nowlin, Thomas E., y Curt R. Raschke, Patente estadounidense 4,291,245 , "Un proceso para fabricar electretos de polímero"

Lecturas adicionales

  • Jefimenko, Oleg D. (2011). Motores electrostáticos: su historia, tipos y principios de funcionamiento (1.ª ed. revisada  ). Integrity Research Institute. ISBN 978-1935023470.
  • Jefimenko, Oleg D.; Walker, David K. (1980). "Electrets". Physics Teacher . 18 (9): 651– 659. Bibcode : 1980PhTea..18..651J . doi : 10.1119/1.2340651 .
  • Walker, David K.; Jefimenko, Oleg D. (1973). "Distribución de carga volumétrica en electretos de cera de carnauba". Journal of Applied Physics . 44 (8): 3459. Bibcode : 1973JAP....44.3459W . doi : 10.1063/1.1662785 .
  • Adams, Charles K. (1987). La electricidad de la naturaleza . TAB Books . ISBN 978-0-8306-2769-1.
  • Gross, Bernhard (1964). Almacenamiento de carga en dieléctricos sólidos; una revisión bibliográfica sobre el electreto y efectos relacionados . Elsevier .
  • Barker, RH (1962). "Electrets". Journal of the IEE . 8 (93): 413– 416. doi : 10.1049/jiee-3.1962.0241 .Un análisis sobre polarización, termoelectretos, fotoelectretos y aplicaciones.
  • Sessler, Gerhard M., ed. (1998). Electrets (3.ª  ed.). Laplacian Press. ISBN 978-1-885540-07-2.