L’altro giorno, mentre progettavo un microfono, ho preso senza pensarci una capsula di microfono a condensatore electret. Per essere precisi ne ho ordinato un pacchetto, questi piccoli microfoni cilindrici sono di altissima qualità per il loro prezzo relativamente piccolo.

È stato solo dopo aver inviato l’ordine che ho avuto un pensiero per la prima volta nella mia vita: Che cos’è un microfono a condensatore electret?

Un microfono a condensatore è abbastanza facile da spiegare. È un condensatore formato da un foglio conduttivo molto sottile che funge da diaframma, montato davanti a un altro conduttore, di solito un pezzo di rete. Le onde sonore fanno vibrare il diaframma, e queste vibrazioni cambiano la capacità tra il diaframma e la maglia.

Se questa capacità è incorporata in un circuito RC con un’impedenza molto alta e viene applicata una tensione elevata, una carica quasi costante è posta su di essa. Poiché la carica rimane costante, cambiare la capacità provoca una piccola fluttuazione di tensione che può essere recuperata come segnale audio dal microfono. I microfoni a condensatore costruiti in questo modo possono essere di altissima qualità, ma hanno bisogno di un’alimentazione ad alta tensione per fornire la carica e di un amplificatore per tamponare e amplificare l’audio.

Il microfono a condensatore a elettrete che ho comprato per pochi soldi è un microfono a condensatore, quindi perché non c’è un’alimentazione ad alta tensione? La risposta viene dal materiale che compone il suo diaframma, un electret è un materiale che porta una carica permanente senza la necessità di un’alimentazione ad alta tensione per mantenerla. Il microfono a elettrete funziona esattamente allo stesso modo di qualsiasi altro microfono a condensatore, ma la carica permanente sul suo diaframma a elettrete è sufficiente a produrre una tensione recuperabile attraverso di esso. La capsula conterrà un FET come buffer ad alta impedenza per fornire un’uscita utilizzabile con un’alimentazione DC da una singola cella AA.

Quindi, avendo risposto alla domanda su cosa sia un microfono a condensatore electret, rimane una domanda più fondamentale: cos’è un electret? Di certo non è possibile che un materiale mantenga una carica elettrica all’infinito, questa è magia, giusto? Una ricerca sul web trova alcune persone che sembrano pensarla così, dato che sembra che gli elettreti abbiano una folla di “pensatori alternativi” che cercano mezzi per raccogliere quella carica statica come fonte di energia gratuita. Chiaramente è necessaria qualche informazione significativa, e per questo ci rivolgiamo ai molti docenti di chimica e fisica che hanno messo online il loro materiale didattico.

Dipoli, come funzionano?

Un dipolo, in senso chimico, è una molecola che possiede una differenza di carica elettrica tra le sue diverse parti. Ad un’estremità di essa può esserci un gruppo funzionale con un eccesso di elettroni, mentre all’altra può esserci uno con un deficit di elettroni. Un esempio comunemente citato di una molecola con questa proprietà è l’acqua, essa forma una molecola H-O-H a forma di V con l’ossigeno nel suo punto che ha una carica negativa maggiore e gli idrogeni nei suoi punti che ne hanno una positiva maggiore.

Un solido fatto di molecole che contengono dipoli non ha una carica statica, perché questi dipoli sono allineati in un ordine casuale tale che non si verifica alcun gradiente di carica. Ma se tutte le molecole di un solido potessero essere allineate in modo che i loro dipoli corrano nella stessa direzione, allora le loro estremità cariche negativamente e positivamente sarebbero disposte una dietro l’altra. Pensate a loro come a una grande pila di batterie in miniatura in serie, con il lato del materiale verso cui puntano i loro poli negativi che diventa ricco di elettroni e quello verso cui puntano i loro poli positivi che ne è carente.

È importante sottolineare, però, che l’analogia con le batterie funziona solo nella misura in cui aiuta a visualizzare come i dipoli si allineano per creare un gradiente di carica unificato, e non per dare un’impressione di comportarsi come se fossero una vera batteria. Affinché un materiale elettrete possieda una carica persistente deve essere anche un isolante, perché se fosse un conduttore elettrico la carica si condurrebbe semplicemente e si neutralizzerebbe. Quindi nessuna corrente può fluire da un materiale electret, e i sogni di energia libera dei nostri pensatori alternativi sul web devono inevitabilmente arrivare a nulla.

Electret DIY

Sapendo ora cos’è un materiale electret, la prossima domanda di ogni lettore di Hackaday che si rispetti dovrebbe essere “Come posso farne uno?”. A cui la risposta è sorprendentemente semplice, e sarete lieti di sentirne una che avete la possibilità di fare da soli. Un solido contenente molecole con un dipolo viene fuso e lasciato raffreddare e solidificare in presenza di un grande campo elettrico. Questa descrizione della fabbricazione di un elettrete, scritta dal nostro, dovrebbe farvi iniziare nella vostra cucina ben attrezzata, supponendo che la vostra cucina sia dotata di un alimentatore da 30 kV.

Un’ampia varietà di materiali può essere usata per produrre elettreti, compresi una serie di polimeri comunemente disponibili. Ci sono anche elettreti naturali di cui il quarzo è un esempio, e sostanze naturali da cui possono essere fatti come la cera carnauba, la cera d’api e la colofonia. Questo PDF ha una lista di alcuni dei materiali e in particolare dei polimeri (pagina 5).

Se si decide di fare da soli un materiale electret, a parte replicare un microfono da pochi centesimi con grande sforzo, che uso se ne potrebbe fare? Una ricerca su Google Patents restituisce applicazioni prevalentemente acustiche, con una lunga lista di microfoni, trasduttori e apparecchi acustici. Ci sono però alcune altre applicazioni, per esempio un filtro d’aria in cui la carica trattenuta dall’elettrete è sufficiente per intrappolare le particelle di polvere caricate nel flusso d’aria. Ci sono menzioni di passaggio online del loro uso passato come elementi di messa a fuoco per display CRT, e la pagina di Wikipedia electret menziona il loro uso in fotocopiatrici, ma nessuna di queste applicazioni hanno molte altre informazioni. Forse è meglio considerare la fabbricazione casalinga di electret come una di quelle curiosità che si potrebbe provare solo perché si può.

Se fate un electret con successo vi imploriamo di scriverlo e sottoporlo alla nostra linea di suggerimenti.

Immagini di capsule microfoniche electret in banner: Engineer’s Garage.