Als ich neulich eine Mikrofonbaugruppe entwarf, griff ich ohne zu überlegen zu einer Elektret-Kondensatormikrofonkapsel. Um genau zu sein, bestellte ich eine ganze Packung davon, denn diese kleinen zylindrischen Mikrofone sind für ihren relativ kleinen Preis von extrem hoher Qualität.

Erst als ich die Bestellung abschickte, kam mir zum ersten Mal in meinem Leben ein Gedanke: Was ist eigentlich ein Elektret-Kondensatormikrofon?

Ein Kondensatormikrofon ist einfach zu erklären. Es handelt sich um einen Kondensator, der aus einer sehr dünnen leitenden Platte besteht, die als Membran fungiert und vor einem anderen Leiter, meist einem Stück Draht, angebracht ist. Schallwellen versetzen die Membran in Schwingungen, und diese Schwingungen verändern die Kapazität zwischen der Membran und dem Gitter.

Wird diese Kapazität in einen RC-Kreis mit sehr hoher Impedanz eingebaut und eine hohe Spannung angelegt, so wird eine nahezu konstante Ladung darauf gelegt. Da die Ladung konstant bleibt, bewirkt eine Änderung der Kapazität eine winzige Spannungsschwankung, die als Audiosignal vom Mikrofon abgenommen werden kann. Kondensatormikrofone, die auf diese Weise gebaut werden, können extrem hochwertig sein, benötigen aber eine Hochspannungsversorgung, um die Ladung zu liefern, und einen Verstärker, um das Audiosignal zu puffern und zu verstärken.

Das Elektret-Kondensatormikrofon, das ich für ein paar Cent gekauft habe, ist ein Kondensatormikrofon, warum gibt es also keine Hochspannungsversorgung? Die Antwort ergibt sich aus dem Material, aus dem die Membran besteht. Ein Elektret ist ein Material, das eine permanente Ladung trägt, ohne dass eine Hochspannungsversorgung erforderlich ist, um sie aufrechtzuerhalten. Das Elektretmikrofon funktioniert genauso wie jedes andere Kondensatormikrofon, aber die permanente Ladung der Elektretmembran reicht aus, um eine abrufbare Spannung zu erzeugen. Die Kapsel enthält einen FET als hochohmigen Puffer, der einen brauchbaren Ausgang mit einer Gleichstromversorgung aus einer einzigen Mignonzelle liefert.

Nachdem wir also die Frage beantwortet haben, was ein Elektret-Kondensatormikrofon ist, bleibt noch eine grundlegendere Frage: Was genau ist ein Elektret? Es kann doch nicht möglich sein, dass ein Material eine elektrische Ladung auf unbestimmte Zeit beibehält, das ist doch Magie, oder? Eine Internetrecherche zeigt, dass es einige Leute gibt, die das zu glauben scheinen, denn anscheinend gibt es eine Schar von “alternativen Denkern”, die nach Möglichkeiten suchen, diese statische Ladung als kostenlose Energiequelle zu nutzen. Offensichtlich sind aussagekräftige Informationen erforderlich, und dafür wenden wir uns an die vielen Chemie- und Physikdozenten, die ihre Kursmaterialien online gestellt haben.

Dipole, wie funktionieren sie?

Ein Dipol im chemischen Sinne ist ein Molekül, das einen Unterschied in der elektrischen Ladung zwischen seinen verschiedenen Teilen besitzt. An einem Ende des Moleküls kann sich eine funktionelle Gruppe mit einem Überschuss an Elektronen befinden, während am anderen Ende eine Gruppe mit einem Elektronendefizit sitzt. Ein häufig zitiertes Beispiel für ein Molekül mit dieser Eigenschaft ist Wasser, das ein V-förmiges H-O-H-Molekül bildet, bei dem der Sauerstoff an seiner Spitze eine größere negative Ladung und die Wasserstoffe an seinen Spitzen eine größere positive Ladung aufweisen.

Ein Festkörper, der aus Molekülen besteht, die Dipole enthalten, hat keine statische Ladung, weil diese Dipole in einer zufälligen Reihenfolge ausgerichtet sind, so dass kein Ladungsgradient auftritt. Könnte man jedoch alle Moleküle in einem Festkörper so ausrichten, dass ihre Dipole in dieselbe Richtung verlaufen, dann würden ihre negativ und positiv geladenen Enden Rücken an Rücken angeordnet. Stellen Sie sich die Moleküle wie einen großen Stapel Miniaturbatterien vor, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Seite des Materials, zu der die negativen Pole zeigen, reich an Elektronen wird und die Seite, zu der die positiven Pole zeigen, einen Elektronenmangel aufweist.

Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass die Batterieanalogie nur insofern funktioniert, als sie dabei hilft, zu veranschaulichen, wie sich die Dipole ausrichten, um ein einheitliches Ladungsgefälle zu erzeugen, und nicht, um den Eindruck zu erwecken, dass sie sich wie eine echte Batterie verhalten. Damit ein Elektretmaterial eine dauerhafte Ladung besitzt, muss es auch ein Isolator sein, denn wäre es ein elektrischer Leiter, würde die Ladung einfach abgeleitet und sich selbst neutralisieren. Daher kann aus einem Elektret-Material kein Strom fließen, und die Träume unserer alternativen Denker im Internet von freier Energie müssen zwangsläufig ins Leere laufen.

Elektret-DIY

Nachdem wir nun wissen, was ein Elektret-Material ist, sollte die nächste Frage eines jeden anständigen Hackaday-Lesers lauten: “Wie kann ich eins machen?”. Die Antwort ist überraschend einfach, und es wird Sie freuen zu hören, dass Sie die Möglichkeit haben, es selbst zu machen. Ein Feststoff, der Moleküle mit einem Dipol enthält, wird geschmolzen und in Gegenwart eines großen elektrischen Feldes abgekühlt und verfestigt. Diese Beschreibung der Herstellung eines Elektrets, die von unserem Mitarbeiter verfasst wurde, sollte Ihnen den Einstieg in Ihre gut ausgestattete Küche ermöglichen, vorausgesetzt, Ihre Küche ist mit einer 30 kV-Stromversorgung ausgestattet.

Eine Vielzahl von Materialien kann zur Herstellung von Elektrets verwendet werden, einschließlich einer Vielzahl von allgemein verfügbaren Polymeren. Es gibt auch natürlich vorkommende Elektrete, wie zum Beispiel Quarz, und natürliche Stoffe, aus denen sie hergestellt werden können, wie Carnaubawachs, Bienenwachs und Kolophonium. In dieser PDF-Datei finden Sie eine Liste einiger Materialien und insbesondere der Polymere (Seite 5).

Wenn Sie sich entschließen, ein Elektretmaterial selbst herzustellen, abgesehen davon, dass Sie mit großem Aufwand ein Mikrofon für ein paar Cent nachbauen, welchen Nutzen könnten Sie daraus ziehen? Eine Google-Patentsuche ergibt überwiegend akustische Anwendungen, mit einer langen Liste von Mikrofonen, Schallwandlern und Hörgeräten. Es gibt aber auch einige andere Anwendungen, z. B. einen Luftfilter, bei dem die vom Elektret gehaltene Ladung ausreicht, um geladene Staubpartikel im Luftstrom einzufangen. Im Internet wird beiläufig erwähnt, dass sie in der Vergangenheit als Fokussierungselemente für Röhrenbildschirme verwendet wurden, und auf der Wikipedia-Seite über Elektrete wird ihre Verwendung in Fotokopierern erwähnt, aber zu keiner dieser Anwendungen gibt es viele weitere Informationen. Vielleicht ist es am besten, die Herstellung von Elektrets zu Hause als eine dieser Kuriositäten zu betrachten, die man einfach ausprobieren kann, weil man es kann.

Wenn Sie ein Elektret erfolgreich herstellen, würden wir Sie bitten, es aufzuschreiben und an unsere Tipps zu senden.

Elektret-Mikrofonkapseln Bilder im Banner: Engineer’s Garage.