När jag häromdagen utformade en mikrofonsammansättning tog jag utan att tänka mig för en electret-kondensatormikrofonkapsel. För att vara strikt korrekt beställde jag ett paket av dem, dessa små cylindriska mikrofoner är av extremt hög kvalitet för sitt relativt lilla pris.
Det var först när jag lämnade in beställningen som jag fick en tanke för första gången i mitt liv: Vad är egentligen en elektretkondensatormikrofon?
En kondensatormikrofon är lätt att förklara. Det är en kondensator som består av en mycket tunn ledande platta som fungerar som membran, monterad framför en annan ledare, vanligen en bit nät. Ljudvågor får membranet att vibrera, och dessa vibrationer förändrar kapacitansen mellan membran och nät.
Om denna kapacitans införlivas i en RC-krets med mycket hög impedans och en hög spänning läggs på den, läggs en nästan konstant laddning på den. Eftersom laddningen förblir konstant orsakar en förändring av kapacitansen en liten spänningsfluktuation som kan hämtas som ljudsignal från mikrofonen. Kondensatormikrofoner som byggs på detta sätt kan vara av extremt hög kvalitet, men det sker på bekostnad av att man behöver en högspänningsmatning för att tillföra laddningen och en förstärkare för att buffra och förstora ljudet.
Elektretkondensatormikrofonen som jag köpte för några öre är en kondensatormikrofon, så varför finns det ingen högspänningsmatning? Svaret kommer från det material som utgör dess membran, en electret är ett material som bär en permanent laddning utan krav på en högspänningsförsörjning för att upprätthålla den. Elektretmikrofonen fungerar på exakt samma sätt som alla andra kondensatormikrofoner, men den permanenta laddningen på elektretmembranet är tillräcklig för att producera en återvinningsbar spänning över det. Kapseln kommer att innehålla en FET som en högimpedansbuffert för att ge en användbar utgång med en likströmsförsörjning från en enda AA-cell.
Så efter att ha besvarat frågan om vad en elektretkondensatormikrofon är, återstår en mer grundläggande fråga: Vad är egentligen en elektret? Det kan väl inte vara möjligt för ett material att behålla en elektrisk laddning på obestämd tid, det är väl magi? En sökning på webben visar att det finns en del människor som tycks tro det, eftersom det verkar som om electrets har en skara “alternativt tänkande” som letar efter sätt att skörda den statiska laddningen som en källa till gratis energi. Det är uppenbart att det krävs en del meningsfull information, och för det går vi till de många kemi- och fysikföreläsare som har lagt ut sitt kursmaterial på nätet.
Dipoler, hur fungerar de?
En dipol är i kemisk mening en molekyl som har en skillnad i elektrisk laddning mellan sina olika delar. I ena änden av den kan det finnas en funktionell grupp med ett överflöd av elektroner, medan det i den andra änden kan finnas en funktionell grupp med ett elektronunderskott. Ett ofta citerat exempel på en molekyl med denna egenskap är vatten, den bildar en V-formad H-O-H-molekyl där syret i sin spets har en större negativ laddning och vätgaserna i sina spetsar har en större positiv laddning.
Ett fast ämne som består av molekyler som innehåller dipoler har ingen statisk laddning, eftersom dessa dipoler är inriktade i en slumpmässig ordning så att ingen laddningsgradient uppstår. Men om alla molekyler i ett fast ämne kunde riktas in så att deras dipoler löper i samma riktning, så skulle deras negativa och positivt laddade ändar vara arrangerade rygg mot rygg. Tänk på dem lite som en stor hög med miniatyrbatterier i serie, där den sida av materialet som deras negativa poler pekar mot blir rik på elektroner och den sida som deras positiva poler pekar mot blir bristfällig på dem.
Det är dock viktigt att betona att batterianaliken bara fungerar såtillvida att den hjälper till att visualisera hur dipolerna är riktade för att skapa en enhetlig laddningsgradient, och inte för att ge ett intryck av att de uppför sig som om de vore ett riktigt batteri. För att ett elektretmaterial ska ha en bestående laddning måste det också vara en isolator, för om det vore en elektrisk ledare skulle laddningen helt enkelt leda och neutralisera sig själv. Ingen ström kan alltså strömma från ett elektretmaterial, och de drömmar om fri energi som våra alternativa tänkare på nätet har måste oundvikligen gå om intet.
Electret DIY
När vi nu vet vad ett elektretmaterial är, borde nästa fråga från alla Hackaday-läsare med självrespekt vara “Hur kan jag tillverka ett?”. Svaret på detta är förvånansvärt enkelt, och du kommer att bli glad att höra ett svar som du har en chans att göra själv. Ett fast ämne som innehåller molekyler med en dipol smälts och får svalna och stelna i närvaro av ett stort elektriskt fält. Den här beskrivningen av hur man tillverkar en elektret, skriven av vår egen , bör hjälpa dig att komma igång i ditt välutrustade kök, förutsatt att ditt kök är utrustat med en 30 kV strömförsörjning.
En mängd olika material kan användas för att tillverka elektreter, inklusive en mängd allmänt tillgängliga polymerer. Det finns också naturligt förekommande elektretter, varav kvarts är ett exempel, och naturliga ämnen från vilka de kan tillverkas, t.ex. carnaubavax, bivax och kolofonium. I denna PDF-fil finns en förteckning över några av materialen, särskilt polymererna (sidan 5).
Om du bestämmer dig för att tillverka ett elektretmaterial själv, bortsett från att med stor ansträngning replikera en mikrofon för några cent, vad skulle du då kunna använda det till? En sökning på Google Patents ger överväldigande akustiska tillämpningar, med en lång lista över mikrofoner, transduktorer och hörapparater. Det finns dock några andra användningsområden, till exempel ett luftfilter där laddningen i elektreten är tillräcklig för att fånga upp laddade dammpartiklar i luftflödet. Det finns tillfälliga omnämnanden på nätet om deras tidigare användning som fokuseringselement för CRT-skärmar, och på Wikipedias elektret-sida nämns deras användning i kopieringsapparater, men ingen av dessa tillämpningar har mycket annan information. Kanske är det bäst att betrakta hemelektrettillverkning som en av de kuriositeter som man kanske bara provar för att man kan.
Om du tillverkar en electret med framgång ber vi dig att skriva ner den och skicka in den till vår tipslinje.
Bilder på mikrofonkapslar med electret i banner: Engineer’s Garage.