Suunnitellessani mikrofonikokoonpanoa taannoin tartuin ajattelematta elektreettilauhdutinmikrofonikapseliin. Tarkalleen ottaen tilasin paketin niitä, nämä pienet sylinterimäiset mikrofonit ovat suhteellisen pieneen hintaansa nähden erittäin laadukkaita.

Vain tilausta lähettäessäni sain ensimmäistä kertaa elämässäni ajatuksen:

Kondensaattorimikrofoni on helppo selittää. Se on kondensaattori, joka muodostuu hyvin ohuesta johtavasta levystä, joka toimii kalvona ja joka on asennettu toisen johtimen, yleensä verkonpalan, eteen. Ääniaallot saavat kalvon värähtelemään, ja nämä värähtelyt muuttavat kalvon ja verkon välistä kapasitanssia.

Jos tuo kapasitanssi liitetään RC-piiriin, jossa on hyvin suuri impedanssi, ja siihen kytketään korkea jännite, siihen kohdistuu lähes vakiovaraus. Koska varaus pysyy vakiona, kapasitanssin muuttaminen aiheuttaa pienen jännitevaihtelun, joka voidaan hakea äänisignaalina mikrofonista. Tällä tavalla rakennetut kondensaattorimikrofonit voivat olla erittäin korkealaatuisia, mutta niiden kustannuksella tarvitaan korkeajännitelähde varauksen syöttämiseen ja vahvistin puskuroimaan ja suurentamaan ääntä.

Pennosilla ostamani elektreettikondensaattorimikrofoni on kondensaattorimikrofoni, miksi siinä ei ole korkeajännitteistä syöttöä? Vastaus tulee sen kalvon muodostavasta materiaalista, elektreetti on materiaali, joka kantaa pysyvää varausta ilman, että sen ylläpitämiseen tarvitaan korkeajännitesyöttöä. Elektreettimikrofoni toimii täsmälleen samalla tavalla kuin mikä tahansa muu kondensaattorimikrofoni, mutta elektreettimembraanissa oleva pysyvä varaus riittää tuottamaan elektreettimembraanin yli palautuvan jännitteen. Kapseli sisältää FET:n korkean impedanssin puskurina, joka tuottaa käyttökelpoisen ulostulon yhden AA-kennon DC-syötöllä.

Kun on siis vastattu kysymykseen siitä, mikä elektreettikondensaattorimikrofoni on, jäljelle jää vielä perustavanlaatuisempi kysymys: mikä elektreetti oikein on? Ei kai se voi olla mahdollista, että materiaali säilyttää sähkövarauksen loputtomiin, se on taikuutta, eikö? Verkkohaun perusteella löytyy ihmisiä, jotka näyttävät ajattelevan niin, sillä elektreeteillä näyttää olevan joukko “vaihtoehtoisia ajattelijoita”, jotka etsivät keinoja hyödyntää staattista varausta ilmaisen energian lähteenä. Selvästikin tarvitaan mielekästä tietoa, ja sitä varten suuntaamme monien kemian ja fysiikan luennoitsijoiden luo, jotka ovat laittaneet kurssimateriaalinsa verkkoon.

Dipolit, miten ne toimivat?

Kemiallisessa mielessä dipoli on molekyyli, jolla on sähkövarausero eri osiensa välillä. Sen toisessa päässä voi olla funktionaalinen ryhmä, jolla on ylitarjontaa elektroneista, kun taas toisessa päässä voi olla ryhmä, jolla on elektronivaje. Yleisesti mainittu esimerkki molekyylistä, jolla on tämä ominaisuus, on vesi, se muodostaa V:n muotoisen H-O-H-molekyylin, jonka kärjessä olevalla hapella on suurempi negatiivinen varaus ja sen kärjessä olevilla vedyillä suurempi positiivinen varaus.

Dipoleja sisältävistä molekyyleistä koostuvalla kiinteällä aineella ei ole staattista varausta, koska nuo dipolit ovat sattumanvaraisessa järjestyksessä siten, että varausgradienttia ei synny. Mutta jos kaikki kiinteän aineen molekyylit voitaisiin kohdistaa siten, että niiden dipolit kulkevat samaan suuntaan, niiden negatiivisesti ja positiivisesti varautuneet päät sijoittuisivat vastakkain. Ajattele niitä vähän kuin isoa kasaa sarjaan kytkettyjä miniatyyriparistoja, jolloin materiaalin se puoli, johon niiden negatiiviset navat osoittavat, saa runsaasti elektroneja ja se puoli, johon niiden positiiviset navat osoittavat, saa niukasti elektroneja.

On kuitenkin tärkeää painottaa, että paristo-analogia toimii vain sikäli, että se auttaa havainnollistamaan, miten dipolit kohdistuvat niin, että syntyy yhtenäinen varauksen gradientti, eikä anna vaikutelmaa siitä, että ne käyttäytyisivät niin kuin oikeat paristot. Jotta elektreettimateriaalilla olisi pysyvä varaus, sen on oltava myös eriste, sillä jos se olisi sähköä johtava materiaali, varaus yksinkertaisesti johtaisi ja neutraloisi itsensä. Näin ollen elektreettimateriaalista ei voi kulkea virtaa, ja vaihtoehtoisajattelijoidemme vapaasta energiasta haaveilemat haaveet netissä jäävät väistämättä tyhjiin.

Elektreettimateriaalin askartelu

Kun nyt tiedetään, mikä elektreettimateriaali on, jokaisen itseään kunnioittavan Hackadayn lukijan seuraavaksi kysymykseksi pitäisi tulla: “Miten voin tehdä sellaisen?”. Johon vastaus on yllättävän yksinkertainen, ja olet varmasti iloinen kuullessasi, että sinulla on mahdollisuus tehdä se itse. Kiinteä aine, joka sisältää dipolimolekyylejä, sulatetaan ja sen annetaan jäähtyä ja jähmettyä suuren sähkökentän vaikutuksesta. Tämän oman , kirjoittamamme kuvauksen elektreetin tekemisestä pitäisi saada sinut alkuun hyvin varustetussa keittiössäsi, olettaen, että keittiössäsi on 30 kV:n virtalähde.

Elektreettien valmistamiseen voidaan käyttää monenlaisia materiaaleja, mukaan lukien monia yleisesti saatavilla olevia polymeerejä. On myös luonnossa esiintyviä elektreettejä, joista esimerkki on kvartsi, ja luonnon aineita, joista niitä voidaan valmistaa, kuten karnaubavaha, mehiläisvaha ja kolofoni. Tässä PDF-tiedostossa on luettelo joistakin materiaaleista ja erityisesti polymeereistä (sivu 5).

Jos päätät tehdä itse elektreettimateriaalin, sen lisäksi, että jäljittelet muutaman sentin mikrofonin suurella vaivalla, mitä hyötyä siitä voisi olla? Googlen patenttihaku palauttaa ylivoimaisesti akustisia sovelluksia, ja pitkä lista mikrofoneja, muuntimia ja kuulolaitteita. Muutamia muitakin käyttökohteita on kuitenkin olemassa, esimerkiksi ilmansuodatin, jossa elektreetin pitämä varaus riittää vangitsemaan ilmavirtaan varatut pölyhiukkaset. Verkossa on ohimennen mainintoja niiden aiemmasta käytöstä kuvaputkinäyttöjen tarkennuselementteinä, ja Wikipedian elektreettisivulla mainitaan niiden käyttö kopiokoneissa, mutta kummastakaan sovelluksesta ei ole paljon muuta tietoa. Ehkä on parasta suhtautua kotielektreettivalmistukseen yhtenä niistä kuriositeeteista, joita voi kokeilla vain siksi, että voi.

Jos valmistat elektreettimikrofonin onnistuneesti, pyydämme sinua kirjoittamaan siitä ja lähettämään sen vinkkipalveluumme.

Elektreettimikrofonikapselien kuvat bannerissa: Engineer’s Garage.