Elektret

Permanentmagnetismus ist seit dem klassischen Altertum bekannt. Seine Anwendung für technische Zwecke ist ebenso alt wie die Entwicklung technischer Geräte. Das elektrische Analogon zum Dauermagneten, genannt "Elektret", besitzt dagegen eine jüngere Vergangenheit. Die Namensgebung war nach Oliver Heaviside (1850 bis 1925), der dieses theoretisch vorausgesagt hat.
Analog zu ferromagnetischen Materialien, die eine durch ein äußeres Magnetfeld erzeugte permanente Polarisierung (d. h. Magnetisierung) aufweisen, gibt es ferroelektrische Stoffe, bei denen eine durch ein äußeres elektrisches Feld erzeugte Polarisierung ebenfalls "eingefroren" werden kann. Diese sogenannten Elektrete sind jedoch erst in den Jahren zwischen 1960 und 70 zur Massenproduktionsreife gediehen. Sie haben Einsatzmöglichkeiten als Filtermaterial (Umweltschutz) aber auch viele andere technische Anwendungen, wie wir hier zeigen wollen.

Die ersten dielektrischen Materialien, die als Elektrete untersucht worden sind, waren Carnauba-Wachs und Bienenwachs sowie Mischungen davon mit Kolophonium. Für die technische Anwendung konzentriert sich heute das Interesse hauptsächlich auf Polymere wie Polyäthylen, Polyurethan, FluorKohlenwasserstoffe und eine große, unter den jeweiligen Handelsnamen bekannte Vielfalt von Polymeren.

Ein Grund für die späte Entdeckung des Elektretes liegt darin, daß die in dar Natur vorkommenden Elektretmaterialien durch Aufnahmen von Ladungsträgern aus der Umgebung häufig kein äußeres elektrisches Feld besitzen. Zum besseren Verständnis soll der nachstehende Vergleich zwischen vereinfachten Modellen eines Permanentmagneten und eines Elektreten dienen.
Wenn man auf Erklärungen im atomaren Bereich verzichtet, kann ein Dauermagnet vereinfacht durch eine regelmäßige Anordnung vieler Elementarmagnete dargestellt werden Die
magnetischen Wirkungen dieser Elementarmagnete überlagern sich und führen zu dem bekannten magnetischen Feldbild, das beispielsweise durch Eisenfeilspäne veranschaulicht werden kann.

Bringt man eine Mischung aus Wachs und bestimmten Harzen in ein starkes elektrostatisches Feld, erwärmt diese Mischung bis am Schmelzen, und läßt sie dann in  diesem Feld abkühlen, so geht von diesem Material ein elektrisches Feld aus, das dem magnetisch Feld eines Permanentmagneten sehr ähnlich ist. Im flüssigen Zustand des Materials richten sich die vorhandenen  Elementarelektrete, sogenannte elektrische Dipole, entsprechend dem von außen angelegten Feld aus. Nach dem Erstarren ist die Bewegungsmöglichkeit eingeschränkt; die Ausrichtung der Ladungen ist somit praktisch "eingefroren".

Die Beständigkeit eines solchen Harz-Wachs-Elektreten ist allerdings nicht allzu groß, wenn man ihn nicht durch eine metallische Hülle schützt. Mit einer solchen Hülle bleibt der Elektret jahrelang stabil, während er sich ohne diese Maßnahme im Laufe der Zeit so mit Ladungen jeweils entgegengesetzten Vorzeichens überzieht, daß seine Wirkung nach außen verloren geht.

Um die Elektrete für den Einsatz in der Technik brauchbar zu machen, mußten viele Materialien im Hinblick auf ihre Elektreteigenschaften erforscht werden.
Es stellte sich heraus, daß außer den  beschriebenen elektrischen Dipolen noch freie Träger gleichnamiger Ladung, meistens Elektronen, auftreten.
Man unterscheidet auch zwischen den Begriffen der Hetero-Ladung und Homo-Ladung.

Die moderne Kunststoffchemie liefert eine große Zahl von Materialien, die sich für Elektretzwecke eignen.

Prinzip

Dielektrika sind keine homogenen Materialien, sondern bestehen aus mikroskopisch kleinen Domänen, deren Grenzflächen bzw. Korngrenzen eine bestimmte Oberflächenenergie besitzen. An diesen laufen die freien Ladungsträger bei ihrer Wanderung im elektrischen Feld auf und erzeugen damit eine Grenzflächenpolarisation (Bild 2c). Bei Abkühlung bleiben sie an der Grenzfläche haften.

Eine vierte Polarisationsart besteht in der Ausbildung einer Raumladungswolke (Bild 2d), die ebenfalls durch Festkörperinhomogenitäten bei tiefen Temperaturen fixiert wird, wenn nämlich ihre Beweglichkeit so gering wird, daß sie nicht mehr mit entgegengesetzten Ladungen rekombinieren können.

Bild 2. Verschiedene Arten der elektrischen Polarisation: a) atomare Polarisation, b) Dipol-Polarisation, c) Grenzflächen-Polarisation, d) Raumladungs-Polarisation, und e) Polarisation durch Ladungsübertragung (z. B. bei Überschreiten der Durchbruchfeldstärke)
 

Außer durch Ausrichten oder Trennen von Ladungen, die im Dielektrikum schon vorhanden sind, können auch Ladungen von außen übertragen werden. Dies führt zu reiner Oberflächenpolarisation (Bild 2e). Der Effekt jeder Polarisation ist immer das Auftreten von Oberflächenladungen. Im weitesten Sinne können auch Dielektrika, die durch Elektronen- oder Ionenbeschuß elektrisch aufgeladen werden, zu den Elektreten gerechnet werden.

Bild 3. Schematische Darstellung der Herstellung einer Elektretfolie
Das dielektrische Material - meist in Folienform- wird auf die Formierungstemperatur T1, die beim Erweichungspunkt knapp unter der Schmelztemperatur liegt, erhitzt und durchläuft dabei zwei plattförmige Elektroden, die hier als elektrisch geladene Transportbänder dargestellt sind. Typische Werte der verwendeten Feldstärken liegen bei 10 kV/cm. Diese ergeben Oberflächenladungsdichten nach der Abkühlung bis zu 10-7 Coul/cm2. Anschließend durchläuft die Elektretfolie eine Abkühlkammer der Temperatur T2, weiterhin unter dem Einfluß des elektrischen Feldes. Die maximal erreichbare Ladungsdichte ist durch die Durchbruchfeldstärke auf Werte der oben genannten Größe beschränkt, deren Überschreitung durch Ladungsübertragung bei Durchbruch zu gleichnamiger Oberflächenladung führt, während normalerweise die Oberfläche des Elektreten entgegengesetzt zur Elektrode geladen ist. Die Beständigkeit der nach der Abkühlung eingefrorenen Polarisation beträgt einige Jahre bis zu einige hundert Jahre und hängt hauptsächlich von äußeren Temperatur- und Kontaminationseinflüssen sowie der relativen Luftfeuchtigkeit ab.

Anwendungen

Weitere in der Entwicklung befindliche Anwendungsgebiete sind die Elektrofotografie, Datenspeicherung ähnlich magnetischen Kernspeichern und Magnetbändern und die medizinische Prothetik. Hier sind erfolgreiche Versuche unternommen worden, Elektrete als künstliche Arterien zu verwenden, die den Vorteil einer verminderten Blutgerinnungsgefahr haben.
Technisch bisher am weitesten fortgeschritten ist die Verwendung von Elektreten als Filtermaterial auf dem vielfältigen Gebiet der Luftreinerhaltung. Die bekannte Tatsache, daß elektrisch aufgeladene Stoffe Staub anziehen, legte die Verwendung von Elektreten als Luftfilter nahe. Das Elektretmaterial ist hierbei als Gewebe, als Schichten gewellter Folien, überzogene Drahtgeflechte, locker gepackten Kugeln mit großem Oberfläche- zu Volumenverhältnis oder gar als Röhren ausgebildet, die durch entsprechende als Formierungselektroden ausgebildete Düsen derart gezogen werden, daß die Innenwand der Röhren die zur Außenwand entgegengesetzte Oberflächenladung besitzt. Zusätzlich lassen sich noch verschiedene Muster der Oberflächenladungsverteilung mit einfachen Verfahren herstellen. Für Filter, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden müssen, gibt es Elektrete aus Quarz, Gläsern und Keramik. Die Kosten können dabei so gering sein, daß sich das Material sogar für Zigarettenfilter eignet.

Kondensatormikrofone mit Elektretmembran

Wegen des Zusammenhanges  Q = C x U  (Ladung gleich Kapazität mal Spannung) entsteht an der Kapsel eine Wechselspannung, die der Auslenkung der Membran proportional ist, da sich die Kapazität umgekehrt zum Abstand zwischen Membran und Gegenelektrode ändert. Der Kondensator C dient zum Fernhalten der Polarisationsspannung vom Vorstärkereingang.
Ein Mikrofon nach dem Elektretprinzip benötigt keine Polarisationsspannung. Daher ergibt sich eine einfache Schaltung (rechtes Bild)

Grundsätzlich ist es möglich, entweder die Membran oder die Gegenelektrode als Elektret auszubilden. Das US-Patent stammt von Rutherford 1935.

Aus technologischen Gründen und wegen größerer Kapazität ist es zweckmäßiger, die Membran als Elektret auszubilden. Die aus elektrisierbarem Material bestehende Membran ist einseitig metallbedampft; die Gegenelektrode besitzt ebenfalls eine metallische Oberfläche. Die Elektretwirkung wird durch, zwei Flächenladungen + Q und - Q nachgebildet. Die positive Flächenladung befindet sich auf der der Gegenelektrode zugewendeten Seite der Membran. Die negative Flächenladung liegt im engen Abstand d1 unter der Metallisierung der Membran. Beide Ladungen influenzieren auf den metallischen Elektroden zusätzliche Flächenladungen. Ändert man den Luftspalt d3 durch Beschallung des Mikrofons,  so ändern ich die influenzierten Flächenladungen. An den Elektroden tritt dann eine Spannung auf, die - wie beim Nf-Kondensatormikrofon mit Polarisationsspannung der Membranauslenkung proportional ist. Bei offenem Klemmen (R-> Unendlich) ist der Wechselspannungsanteil ein phasengleiches Abbild der Membranbewegung.

Die Back-Elektretmikrofone haben die Gegenelektrode aus Elektret, die Membran ist bedampfte Mylar-Folie oder ähnlich. Damit läßt sich die Membranmasse erheblich reduzieren, aber da die Gegenelektrode perforiert sein muß, ist die Kapazität geringer, was sich in aufwendigerer Vorverstärkung niederschlägt.

Mit einem Feldeffekttransistor, der mit der Membran in einem Gehäuse verkapselt ist, erreicht man gleichzeitig die hohe Lebensdauer des Mikrofons und eine Vorverstärkung.

Mit dem Kohle-Mikrofon war die Möglichkeit gegeben, Schallenergie in elektrische Signale umzuwandeln, und die Erfindung de, Phonographen machte es möglich, Schallinformationen mechanisch zu speichern und nach Wunsch wieder in Schall zurückzuwandeln. Als dann der dänische Physiker Valdemar Poulsen 1898 sein Telegraphon vorstellte, schloß sich der Kreis: elektrische Signale konnten elektromagnetisch gespeichert, beliebig abgerufen und sogar gelöscht werden.

Bis zur Hi-Fi-reifen Produktion und Reproduktion von Schallsignalen war es jedoch noch ein weiter Weg. Verschiedene elektroakustische Wandler wurden seit dieser Zeit entwickelt und auch verkauft. Eines haben alle diese Schallwandler gemeinsam: Zur Umsetzung von Schall in Tonfrequenz oder umgekehrt ist eine Membran notwendig. Von den vielen Systeme, - u. a. auf elektrostatischer oder piezoelektrischer Basis - hat sich jedoch fast ausschließlich das elektrodynamische Prinzip bei Lautsprechern durchgesetzt setzt. Andere Entwicklungen haben weit geringere praktische Bedeutung erlangt. Der elektrodynamische Lautsprecher hat sich zwar in hohem Maße bewährt, ist aber trotzdem häufig das schwächste Glied in der Kette elektroakustischer Wiedergabegeräte.

Während bei Verstärkern Klirrfaktoren von z.B. 0,1 % genannt werden, zeigen herkömmliche Lautsprecher zumindest im Bereich tiefer Frequenzen Werte bis über 10 %, Der Grund hierfür ist bekannt: Eine leichte Membran eines Lautsprechers ist mechanisch meist wenig stabil. Sie verformt sich und erzeugt damit Verzerrungen. Diesem Problem begegnet man mit Membranmaterialien hoher mechanischer Stabilität. Da ein solches Material wiederum sehr schwer ist, schwingt die Membran über und erzeugt ebenfalls hohe Verzerrungen. Deshalb ist es das Ziel jedes Lautsprecherherstellers, Wandler mit geringem bewegten Gewicht und hoher mechanischer Stabilität zu entwickeln.
Hierbei scheint du piezoelektrische Wandler wegen seiner einfachen Struktur Vorteile so bieten: Es werden keine Magnete wie bei dynamischen Systemen oder Vorspannungen wie bei elektrostatischen System" benötigt.

Piezoelektrizität und HPM

Wenn ein Kristall einem Druck ausgesetzt wird, wird eine elektrische Spannung erzeugt. Dieses ist der direkte piezoelektrische Effekt. Die Größe der erzeugten Spannung hängt vom Material und vom Kristallschnitt ab. Außerdem ist die Piezoelektizitätskonstante temperaturabhängig.

Der inverse Effekt ist ebenfalls bekannt. Wenn eine elektrische Spannung an den Kristall angelegt wird, kann er zu einer mechanischen Bewegung veranlaßt werden. Diese mechanische Bewegung ist proportional der angelegten Spannung.

Die gebräuchlichen piezoelektrischer Materialien sind z, B. Turmaline, BaTiO3, Quarze und Rochelle-Salze Diese Materialien sind gebräuchlich für Schwingkreise, da sie eine hohe mechanische Festigkeit und geringe mechanische Verluste aufweisen. Normalerweise haben Keramiken keine piezoelektrischen Eigenschaften. Wenn jedoch ein Polarisierungsprozess erfolgt, wird ein Zustand hergestellt, der piezoelektrische Eigenschaften zeigt. Trotzdem, konventionelle piezoelektrische Elemente waren bisher ungeeignet für die Hi-Fi-Reproduktion, da sogenannte weiche piezoelektrische Elemente nicht verfügbar waren

Während der Versuche mit piezoelektrischen Materialien worden bald solche entdeckt, die weich sind und durch spezielle Bearbeitung über hohe piezoelektrische Effizienz verfügen.

Um 1940 wurden in Russland Studien über die Piezoelektrizität von Holz durchgeführt.

1959 wendete Fukada als erster biologisches hochmolekulares Material wie Fischbein und Sehnen in Tonabnehmersystemen an.

1960 wurde die Piezoelektrizität von synthetischen High-Polymeren (Polypeptide) ebenfalls von Fukada entdeckt

1968 wurden versuchsweise synthetische HPM-Materialien (Polygammamethyl, L-Glutamat) für Mikrofone und Kopfhörer entwickelt. Diese Wandlersysteme werden jedoch nicht kommerziell benutzt, weil die piezoelektrische Spannungskonstanz nicht sehr groß war.

1969 entdeckte Kawai die Piezoelektrizität an Polyvinylidenfluorid. Dieses ist ein Fluor-Kohleharz und hat folgende chemische Zusammensetzung:
H  F
C-C-         x >1000
H  F

Der Prozeß, der der High-Polymer-Folie die erforderliche Piezoelektrizität verleiht, besteht aus folgenden Stufen

1. Der Film wird bei einer Temperatur von 600C bis 1000C auf ungefähr 10-fache Länge gedehnt.

2. Auf beide Seiten dampft man zur Kontaktierung Aluminium auf.

3. Dar Film wird bei Temperaturen von 800C bis 100°C mit einem hohen Gleichspannungsfeld eine Stunde lang polarisiert.

Dieses Verfahren ähnelt dem der piezoelektrische Keramiken, jedoch bleibt die Piezoelektrizität des Films nach der Polarisation - im Gegensatz zur Keramik - erhalten. Der Elastizitätsmodul von HP-Elementen ist zwar um mehr als eine Zehnerpotenz kleiner als die der gebräuchlichen piezoelektrischen Materialien, die Piezoelektrizität ist aber besonders stabil, sogar bei Temperaturen von 100 °C.

Der Vorteil des HP-Elementes liegt in der dünnen Filmform, sowie in der einfachen Struktur. Wenn ein Wechselfeld angelegt wird, vibriert es mechanisch in transversaler Richtung. Ist das HP-Element leicht gewölbt und sind die Enden befestigt, dann wird die transversale Vibration in eine pulsierende Bewegung umgesetzt. Somit kann dieses HP-Element dazu verwendet werden, Schallwellen abzugeben. Die Bewegung der Membran geschieht hier nicht kolbenförmig wie bei konventionellen Systemen, sondern in einer Art Atembewegung der gesamten Oberfläche.

Während Pioneer Anwendungstechnologien für dieses Element entwickelte, wurde von Kureha die Technologie für die Massenproduktion erarbeitet.

HPM-Lautsprecher

Dieser bereits erwähnte Effekt läßt sich am einfachsten in omnidirektionalen (rundum abstrahlenden) Lautsprechern nutzen  Der High-Polymer-Film ist hier zu einem Zylinder geformt. Zwischen einem weiteren kleineren Zylinder aus perforiertem Metall und der HP-Folie liegt eine Polyurethan -Schaumstoffdämmung. Im Kern wird Glaswolle als Absorptionsmaterial verwendet. Durch Kontaktieren der beiden Aluminiumschichten läßt sich das Wechselspannungssignal zuführen. Ein so aufgebauter Hochtöner kann mit einem Sinussignal von 18 V dauernd belastet werden, ohne daß Beschädigungen auftreten. Bei einem konventionellen Schwingspulenhochtöner würde sich die Spule innerhalb kürzester Zeit so stark erwärmen, daß der Lautsprecher zerstört wird. Die Grenzbelastbarkeit dieses HP-Lautsprechers ist durch den elektrischen Break-Point bestimmt. Die Dicke der HP-Membran für Hochtöner beträgt 30 um, der Break-Point liegt für Raumtemperatur bei ungefähr 2000 V.

Weitere Vorteile dieser Konstruktion sind folgende: Im Gegensatz zu anderen Lautsprechersystemen wird der Schall nicht an einem Punkt erzeugt, sondern die ganze Membran (= Antriebssystem) schwingt. Die enge Abstrahl-Charakteristik konventioneller Hochtöner ist damit beseitigt. Diese war bislang besonders schwierig für die höheren Frequenzen des Audiospektums zu erreichen. Da die ganze Oberfläche des Films vibriert, sind keine stehenden Wellen vorhanden. Niedrige Verzerrungen und ein glatter Übertragungsbereich sind die Folge.

Zur HiFi` Messe 1976 stellte die Firma Pioneer Japan erstmalig drei Lautsprecherboxen vor, die mit High-Polymer- Hochtönersystemen ausgestattet sind (HPM 40, HPM 60, HPM 100). Die HP-Folie ist bei diesen Boxen um 180 °C gewölbt und ca. 1/14 g schwer. Das heißt, die bewegte Masse ist extern gering.
Es bestanden auch bereits Prototypen von High-Polymer-Mitteltonlautsprechern. Diese sind im Prinzip wie die Super-Hochtöner aufgebaut, haben jedoch einen größeren Umfang. Die Lautsprecherbox HPM 200 ist z.B. mit  zwei High-Polymer-Lautsprechern (Superhochton und Mittelhochton) ausgerüstet. Natürlich sind die Techniker daran interessiert, auch entsprechend, Systeme für die tieferen Frequenzen zu entwickeln. Man forscht an einem großen HP-Tieftöner. Mit einer Kugel aus HP-Folie ließe sich sogar in, kugelsymmetrische Schallabstrahlung ein alter Wunschtraum vieler Akustiker - realisieren.

HP-Kopfhörer

Die gebräuchlichsten Typen hochwertiger Kopfhörer sind Schwingspulensysteme oder Elektrostaten. Beide haben verschiedene Vor- und Nachteile. Die Empfindlichkeit von Schwingspulen- Wandlersystemen ist sehr groß, und man kann sie an jeden Verstärker anschließen. Außerdem sind die Kasten relativ gering. Es ist allerdings schwer möglich, - für bessere Wiedergabe hoher Frequenzen und verbessertes Einschwingverhalten das Gewicht des schwingenden Systems noch mehr zu verkleinern.

Der elektrostatische Kopfhörer besitzt zwar eine leichte Membran, sein Nachteil jedoch ist die niedrige Empfindlichkeit. So können elektrostatische Kopfhörer nicht direkt an konventionellen Verstärkern betrieben werden. Eine hohe Eingangsspannung von über 100 V ist notwendig, um einen zufriedenstellenden Klang ausreichender Stärke zu erhalten. Hierfür sind Transformatoren erforderlich.

Bei HP-Kopfhörern wird der dünne HP-Film (8 um) direkt von der angelegten Spannung betrieben. Somit ist der Übertragungsbereich ähnlich dem der Elektrostaten. Eine kleine Eingangsspannung von ungefähr 3 V reicht aus, um einen Pegel von 100 dB zu erzeugen. HP-Kopfhörer können direkt an konventionelle Verstärker in gleicher Weise wie SchwingspuIenwandler angeschlossen werde Zusätzlich besitzt der HP-Kopfhörer verschiedene Vorteile: keine Vorspannung, die Empfindlichkeit wird durch Feuchtigkeit nicht herabgesetzt und selbst bei größten Eingangspegeln sind die harmonischen Verzerrungen nicht größer als 1 % (bei 110 dB)

Die High-PoIymer-Membran des Kopfhörers befindet sich auf Polyurethan-Schaumstoff, die Audiosignale werden über Aluminium-Kontaktierungen auf die Membran übertragen. Das sehr dünne Element verändert sich proportional zum angelegten Signal und erzeugt somit einen linearen Frequenzgang über den ganzen Übertragungsbereich. Diese Technik wird bereits in den Kopfhörern SE-300, SE-500 und SE-700 angewendet. Die Kopfhörer haben sich wegen ihrer Klangneutralität, ihrer hohen Belastbarkeit und folglich auch ihrer niedrigen Verzerrungen auf dem Markt bewährt.

HP-Mikrofone und -Tonabnehmer. Systeme

Es können jedoch noch weitere akustische Wandler mit der HP-Folie ausgerüstet werden, z. B. Mikrofone und Tonabnehmersysteme. Die Empfindlichkeit bei 2 mV/Pa (0,2 mV/ubar) und die Kapazität beträgt ungefähr 700 pF. Durch seine Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit und Staub läßt sich dieses Mikrofon ohne weiteres auch im Freien verwenden.

Bei Tonabnehmersystemen ist der direkte piezoelektrische Effekt ebenfalls anwendbar. Niedrige mechanische Widerstände und eine hohe Nachgiebigkeit ermöglichen die Wiedergabe höchster Frequenzen. Es wird außerdem kein Magnet benötigt wie bei elektrodynamischen Systemen.

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