Podczas projektowania zespołu mikrofonowego pewnego dnia, bez zastanowienia sięgnąłem po kapsułę elektretowego mikrofonu pojemnościowego. Gwoli ścisłości zamówiłem ich całą paczkę, te małe cylindryczne mikrofony są niezwykle wysokiej jakości jak na swoją stosunkowo niewielką cenę.

Dopiero po złożeniu zamówienia po raz pierwszy w życiu naszła mnie pewna myśl: Just what IS an electret condenser microphone?

A condenser microphone is easy enough to explain. Jest to kondensator utworzony z bardzo cienkiego arkusza przewodzącego, który działa jako membrana, zamontowany przed innym przewodnikiem, zwykle kawałkiem siatki. Fale dźwiękowe powodują drgania membrany, a te wibracje zmieniają pojemność między membraną a siatką.

Jeśli ta pojemność jest włączona do obwodu RC o bardzo wysokiej impedancji i wysokie napięcie jest stosowane, prawie stały ładunek jest umieszczony na nim. Ponieważ ładunek pozostaje stały, zmiana pojemności powoduje małe wahania napięcia, które mogą być odzyskane jako sygnał audio z mikrofonu. Mikrofony kondensatorowe zbudowane w ten sposób mogą być bardzo wysokiej jakości, ale kosztem konieczności posiadania zasilacza wysokiego napięcia do dostarczenia ładunku i wzmacniacza do buforowania i powiększania dźwięku.

Mikrofon pojemnościowy elektretowy, który kupiłem za grosze, jest mikrofonem kondensatorowym, więc dlaczego nie ma zasilania wysokiego napięcia? Odpowiedź pochodzi z materiału, z którego wykonana jest jego membrana, elektret jest materiałem, który przenosi trwały ładunek bez konieczności stosowania wysokiego napięcia zasilającego do jego utrzymania. Mikrofon elektretowy działa w dokładnie taki sam sposób jak każdy inny mikrofon kondensatorowy, ale stały ładunek na membranie elektretowej jest wystarczający do wytworzenia napięcia zwrotnego na jej powierzchni. Kapsuła będzie zawierać FET jako bufor o wysokiej impedancji, aby zapewnić użyteczne wyjście z zasilaniem DC z pojedynczego ogniwa AA.

Więc po odpowiedzi na pytanie, co to jest elektretowy mikrofon pojemnościowy, pozostaje bardziej fundamentalne pytanie: po prostu co to jest elektret? Z pewnością nie może być możliwe dla materiału, aby utrzymać ładunek elektryczny w nieskończoność, to jest magia, prawda? Poszukanie w Internecie znajdzie kilku ludzi, którzy wydają się tak myśleć, jako że wydaje się, że elektrety mają tłum “alternatywnych myślicieli”, którzy szukają sposobów na zebranie tego ładunku statycznego jako źródła darmowej energii. Najwyraźniej potrzebna jest jakaś sensowna informacja, a po nią udajemy się do wielu wykładowców chemii i fizyki, którzy umieścili swoje materiały kursowe w sieci.

Dipole, jak działają?

Dipol, w sensie chemicznym, to cząsteczka, która posiada różnicę w ładunku elektrycznym pomiędzy jej różnymi częściami. Na jednym jej końcu może znajdować się grupa funkcyjna z nadmiarem elektronów, a na drugim z deficytem elektronowym. Powszechnie przytaczanym przykładem cząsteczki o tej właściwości jest woda, tworzy ona cząsteczkę H-O-H w kształcie litery V, przy czym tlen w jej punkcie ma większy ładunek ujemny, a hydrogeny w jej punktach mają większy ładunek dodatni.

Ciało stałe zbudowane z cząsteczek zawierających dipole nie ma ładunku statycznego, ponieważ dipole te są ustawione w przypadkowej kolejności, tak że nie występuje gradient ładunku. Gdyby jednak wszystkie cząsteczki w ciele stałym można było ustawić tak, aby ich dipole biegły w tym samym kierunku, wówczas ich ujemnie i dodatnio naładowane końce byłyby ułożone plecami do siebie. Pomyśl o nich trochę jak o wielkiej stercie miniaturowych baterii połączonych szeregowo, przy czym strona materiału, w którą skierowane są ich bieguny ujemne staje się bogata w elektrony, a ta, w którą skierowane są ich bieguny dodatnie staje się w nie uboga.

Należy jednak podkreślić, że analogia baterii działa tylko na tyle, na ile pomaga w wizualizacji tego, jak dipole ustawiają się w celu stworzenia jednolitego gradientu ładunku, a nie po to, by dać wrażenie, że zachowują się one tak, jakby były prawdziwą baterią. Aby materiał elektretowy posiadał trwały ładunek, musi być również izolatorem, ponieważ gdyby był przewodnikiem elektrycznym, ładunek po prostu przewodziłby i neutralizował się. Tak więc żaden prąd nie może płynąć z materiału elektretowego, a marzenia o wolnej energii naszych alternatywnych myślicieli w sieci muszą nieuchronnie spełznąć na niczym.

Elektret DIY

Wiedząc teraz, czym jest materiał elektretowy, następne pytanie każdego szanującego się czytelnika Hackaday powinno brzmieć “Jak mogę go zrobić?”. Na które odpowiedź jest zaskakująco prosta i z pewnością ucieszy Was taka, którą macie szansę wykonać sami. Ciało stałe zawierające cząsteczki z dipolem topi się i pozwala mu ostygnąć i zestalić się w obecności dużego pola elektrycznego. Ten opis tworzenia elektretu, napisany przez naszego własnego , powinien sprawić, że zaczniesz w swojej dobrze wyposażonej kuchni, zakładając, że twoja kuchnia jest wyposażona w zasilacz 30 kV.

Do produkcji elektretów można użyć wielu różnych materiałów, w tym wielu powszechnie dostępnych polimerów. Istnieją również elektrety występujące naturalnie, których przykładem jest kwarc, oraz naturalne substancje, z których można je wytwarzać, takie jak wosk carnauba, wosk pszczeli i kalafonia. Ten PDF ma listę niektórych z tych materiałów, a w szczególności polimerów (strona 5).

Jeśli zdecydujesz się zrobić materiał elektretowy samodzielnie, oprócz replikowania kilkucentowego mikrofonu przy dużym wysiłku, jaki użytek mógłbyś z niego zrobić? Przeszukiwanie Google Patents zwraca w przeważającej mierze zastosowania akustyczne, z długą listą mikrofonów, przetworników i aparatów słuchowych. Jest jednak kilka innych zastosowań, na przykład filtr powietrza, w którym ładunek utrzymywany przez elektret jest wystarczający do zatrzymania naładowanych cząsteczek kurzu w przepływie powietrza. Istnieją przelotne wzmianki w sieci o ich przeszłym zastosowaniu jako elementów skupiających w wyświetlaczach CRT, a strona Wikipedii poświęcona elektretom wspomina o ich zastosowaniu w kserokopiarkach, ale żadne z tych zastosowań nie ma zbyt wielu innych informacji. Być może najlepiej jest spojrzeć na domową produkcję elektretów jako na jedną z tych ciekawostek, którą możesz po prostu wypróbować, ponieważ możesz.

Jeśli wykonasz elektret z powodzeniem, będziemy cię błagać, abyś go opisał i przesłał do naszej linii porad.

Elektretowe kapsuły mikrofonowe obrazy w banerze: Engineer’s Garage.