Da jeg forleden designede en mikrofonsamling, greb jeg efter en electret-kondensatormikrofonkapsel uden at tænke. For at være helt nøjagtig bestilte jeg en pakke af dem, disse små cylindriske mikrofoner er af ekstremt høj kvalitet til deres relativt lille pris.
Det var først da jeg afgav ordren, at jeg for første gang i mit liv fik en tanke: Hvad ER en electret-kondensatormikrofon?
En kondensatormikrofon er let nok at forklare. Det er en kondensator, der består af en meget tynd ledende plade, der fungerer som membran, og som er monteret foran en anden leder, som regel et stykke net. Lydbølger får membranen til at vibrere, og disse vibrationer ændrer kapacitansen mellem membran og net.
Hvis denne kapacitet indgår i et RC-kredsløb med en meget høj impedans, og der påføres en høj spænding, påføres den en næsten konstant ladning. Da ladningen forbliver konstant, medfører en ændring af kapacitansen et lille spændingsudsving, som kan hentes som lydsignal fra mikrofonen. Kondensatormikrofoner, der er bygget på denne måde, kan være af ekstremt høj kvalitet, men det er på bekostning af, at der er behov for en højspændingsforsyning til at levere ladningen og en forstærker til at buffer og forstørre lyden.
Den electretkondensatormikrofon, som jeg købte for småpenge, er en kondensatormikrofon, så hvorfor er der ikke nogen højspændingsforsyning? Svaret kommer fra det materiale, der udgør dens membran, en electret er et materiale, der bærer en permanent ladning uden krav om en højspændingsforsyning for at opretholde den. Elektretmikrofonen fungerer på nøjagtig samme måde som enhver anden kondensatormikrofon, men den permanente ladning på elektretmembranen er tilstrækkelig til at frembringe en genoprettelig spænding over den. Kapslen vil indeholde en FET som en højimpedansbuffer for at give et brugbart output med en jævnstrømsforsyning fra en enkelt AA-celle.
Så efter at have besvaret spørgsmålet om, hvad en electret kondensatormikrofon er, er der stadig et mere grundlæggende spørgsmål: Hvad er en electret? Det kan da ikke være muligt for et materiale at bevare en elektrisk ladning på ubestemt tid, det er da magi, ikke sandt? En søgning på nettet finder nogle mennesker, der tilsyneladende mener det, for det ser ud til, at electrets har en skare af “alternative tænkere”, der søger efter midler til at høste denne statiske ladning som en kilde til gratis energi. Det er klart, at der er brug for nogle meningsfulde oplysninger, og for at finde dem går vi til de mange kemi- og fysiklærere, der har lagt deres kursusmateriale ud på nettet.
Dipoler, hvordan virker de?
En dipol er i kemisk forstand et molekyle, som besidder en forskel i elektrisk ladning mellem sine forskellige dele. I den ene ende af det kan der være en funktionel gruppe med et overflødighedshorn af elektroner, mens der i den anden ende kan være en funktionel gruppe med et elektronunderskud. Et almindeligt citeret eksempel på et molekyle med denne egenskab er vand, det danner et V-formet H-O-H-molekyle, hvor ilten i spidsen har en større negativ ladning og hydrogenerne i spidsen har en større positiv ladning.
Et fast stof, der består af molekyler, der indeholder dipoler, har ikke en statisk ladning, fordi disse dipoler er rettet ud i en tilfældig rækkefølge, således at der ikke opstår nogen ladningsgradient. Men hvis alle molekylerne i et fast stof kunne være rettet ud således, at deres dipoler løber i samme retning, så ville deres negative og positivt ladede ender være anbragt ryg mod ryg. Tænk på dem lidt som en stor bunke miniaturebatterier i serie, hvor den side af materialet, som deres negative poler peger mod, bliver rig på elektroner, og den side, som deres positive poler peger mod, bliver fattig på dem.
Det er dog vigtigt at understrege, at batterianalogien kun fungerer for så vidt som den hjælper med at visualisere, hvordan dipolerne retter sig ud for at skabe en ensartet ladningsgradient, og ikke for at give et indtryk af, at de opfører sig, som om de var et rigtigt batteri. For at et elektretmateriale kan have en vedvarende ladning, skal det også være en isolator, for hvis det var en elektrisk leder, ville ladningen simpelthen lede og neutralisere sig selv. Der kan således ikke løbe nogen strøm fra et electret-materiale, og vores alternative tænkeres drømme om fri energi på nettet må uundgåeligt gå i vasken.
Electret DIY
Da vi nu ved, hvad et electret-materiale er, bør det næste spørgsmål fra enhver Hackaday-læser med respekt for sig selv være “Hvordan kan jeg lave et?”. Hertil er svaret overraskende enkelt, og du vil blive glad for at høre et svar, som du har en chance for at lave selv. Et fast stof, der indeholder molekyler med en dipol, smeltes og får lov til at afkøle og størkne under tilstedeværelse af et stort elektrisk felt. Denne beskrivelse af fremstilling af en elektret, skrevet af vores egen , skulle kunne få dig i gang i dit veludstyrede køkken, forudsat at dit køkken er udstyret med en 30 kV strømforsyning.
En lang række materialer kan bruges til at fremstille elektreter, herunder et væld af almindeligt tilgængelige polymerer. Der findes også naturligt forekommende electrets, hvoraf kvarts er et eksempel, og naturlige stoffer, som de kan fremstilles af, såsom carnaubavoks, bivoks og kolofonium. Denne PDF-fil indeholder en liste over nogle af materialerne og især polymererne (side 5).
Hvis du beslutter dig for selv at fremstille et elektretmateriale, bortset fra at efterligne en mikrofon til få cent med stor indsats, hvad kan du så bruge det til? En søgning på Google Patents giver overvældende mange akustiske anvendelser med en lang liste over mikrofoner, transducere og høreapparater. Der er dog et par andre anvendte, f.eks. et luftfilter, hvor den ladning, som elektreten holder, er nok til at fange ladede støvpartikler i luftstrømmen. Der er tilfældige omtaler på nettet af deres tidligere anvendelse som fokuseringselementer til CRT-skærme, og på Wikipedias electret-side nævnes deres anvendelse i fotokopieringsmaskiner, men ingen af disse anvendelser har mange andre oplysninger. Måske er det bedst at betragte hjemmets electretfremstilling som en af de kuriositeter, man måske bare prøver, fordi man kan.
Hvis du laver en electret med succes, vil vi bønfalde dig om at skrive det op og indsende det til vores tipslinje.
Electretmikrofonkapsler billeder i banner: Engineer’s Garage.