Cs.Kádár Péter - XXI. századi Diszkónika, 115. Befagyasztott elektronok

A 19. század végén már nyilvánvaló volt a fizikusok számára, hogy a mágnesség és az elektromosság között nemcsak szoros kapcsolat, hanem nagy hasonlóság is van. Tehát ha léteznek olyan anyagok, amelyeket ha belső mágneses erőtérbe helyezünk, a mágneses erőtér megszűnése után is mágnesként viselkednek (ferromágnesek), van északi és déli pólusuk, akkor létezhetnek olyan anyagok is, amelyeket ha elektromos erőtérbe helyezünk, akkor az elektromos tér megszűnése után is az egyik oldalukon pozitív, a másikon negatív töltöttségűek maradnak. Az ilyen anyagokat ferroelektromos anyagoknak hívjuk.

Ezek egyik fajtája az elektret, amelynek létezését 1885-ben jósolta meg Oliver Heaviside matematikus és fizikus. Még az elnevezés is tőle származik, utalva a mágneshez való hasonlóságra: electr(ic) + (magn)et.

be02

1925-ben Mototaro Eguchi japán pasinak sikerült előállítani az elektromos állapotát megőrző testet.

A fizikus méhviasz és karnaubaviasz egyenlő arányú keverékét olvasztotta meg. A karnaubaviaszt – nem mintha lényeges lenne – a Brazília északkeleti részén őshonos karnaubapálma leveleiből nyerik.

be03

A trutyit Eguchi termosztátba helyezte, amely biztosította az olvadáspont fölötti, állandó hőmérsékletet. Ugyanakkor egy nagy térerősségű homogén elektromos teret állított elő. Ez az erőtér az elektromosan rendezetlen, kétpólusú molekulákat megfegyelmezte, beforgatta az elektromos tér irányába. Azért tudta ezt megtenni, mert a szilárd állapotban szigetelő anyag folyadékká válva némiképp vezetővé válik. Amikor lehűl, ismét szigetelő lesz belőle, és úgy marad, ahogy elforgatták a részecskéit. Ezt a folyamatot elektromos polarizációnak nevezik.

be04

A teljes polarizáció beállta után tehát a mester a viaszolvadékot hirtelen lehűtötte. Ennek következtében az olvadék megszilárdult, megfagyott. A megszilárdult szigetelő anyagban, külföldiül a dielektrikumban, az egyes molekulák tengelyei egymással párhuzamosan helyezkednek el. Ezt a rendezett állapotot a molekulák hosszú időn, több éven át megtartják. A polarizált állapotban levő dielektrikum felületén kötött elektromos töltések jelennek meg: az egyik oldalán pozitív, az átellenes oldalán negatív töltések. Az így előállított dielektrikum úgy viselkedik, mint egy óriási elektromos dipólus, amely maga körül elektromos teret létesít – ugyanúgy, ahogy a mágneses dipólus mágneses erőteret.

Ha a dielektrikum szabályos téglatest alakú, akkor a külső tér erővonalaira merőleges lapfelületeken egynemű, kötött elektromos töltések fognak elhelyezkedni. Például az alsó lapon pozitív, a felsőn negatív töltések vannak.

Az elektretre elektródákat szerelnek. Például úgy, hogy fémet párologtatnak az elektret felületére. Az ábrán az elektromos erővonalakat láthatod.

be05

Az elektret felfedezése óta eltelt csaknem 100 év alatt sokat fejlődtek az e témakörre vonatkozó ismereteink. Elektret állítható elő számos mű¬anyagból, pl. a plexiből, különböző polimerekből, illetve keramikus anyagokból. Eleinte csak olyan elektreteket gyártottak, amelyek magasabb hőmérséklet esetén polarizálódtak. A hőhatáson kívül a fény, a mágneses tér, az elektromos tér, a súrlódás, a radioaktív- vagy röntgensugárzás, illetve vegyi átalakulás segítségével is lehet elektretet készíteni.

Otthon is kotyvaszthatsz elektretet, noha én még nem próbáltam.

Az elektret mikrofonok egyik fajtája a masszív elektretes mikrofon.

be06

Az elektret (2) fölött lévő vékony fémlemezt (1) egy nagyon kicsi légrés (4) választja el az elektrettől. Ezek az alkatrészek szigetelő anyagból készült dobozban (5) vannak. Ha a fémlemezt hangrezgések érik, akkor periodikusan változó elektromos töltés indukálódik benne. A fémlemez változó töltésmennyisége a külső áramkörben időben változó áramerősséget hoz létre. A mikrofon külső áramkörének terhelő ellenállásán (Rs) a hangrezgéseknek megfelelő hangfrekvenciás áram fog folyni.

A másik fajta a rezgőlemezes elektret mikrofon.

Ebben elektret fóliát használnak. Ezt a fajta mikrofont Gerhard Sessler és James West találta fel 1962-ben, a Bell Laboratóriumban.

be07

Az általuk alkalmazott dielektrikum teflon fólia volt, melynek egyik oldalát elektronsugárral bombázták. A fólia túloldala fém vezetővel érintkezett, ahová a teflonból –a nagy elektromos tér hatására – elektronok léptek ki. A teflon fólia egészében elektromosan semleges marad, de azon az oldalán, ahol az elektronsugár érte, nagy negatív, a másik oldalán pedig (ahonnan elektronok távoztak) a negatív töltéssel ekvivalens pozitív töltés halmozódik fel.

be08

Az elektret fólia (1) felső felületére vékony fémréteget párologtatnak. Ez a fémréteg képezi a mikrofon egyik elektródáját. A mikrofon másik elektródája (4) és az elektret lemez között egy kis légrés (3) található. Ha az elektret lemezt hanghullámok érik, az rezgésbe jön és a rezgő lemez az elektródokban töltéseket indukál. Ha a mikrofon áramkörét zárjuk, a külső áramkörben a hangrezgéseknek megfelelő hangfrekvenciás áram fog keringeni.

A harmadik változatban nincs hátlap. A kondenzátort a kapszula membránja és belső felülete alkotja. Az elektret fólia a belső elülső fedélhez tapad. Ez egyenértékű a hátsó elektródával, mivel bármely vezetőképes anyag használható a membránhoz.

A hagyományos kondenzátor mikrofon és az elektret kondenzátor mikrofon közötti alapvető különbség, hogy az utóbbi működtetéséhez nem kell külső tápfeszültség.

be09

Illetve… a mikrofonhoz valóban nem, csak van egy kis bibi. Az elektret mikrofon kimenő impedanciája is nagy, a kimenő feszültség pedig kicsi. Hiszen ez is kondenzátor mikrofon. Ezért a kapszula környékén vagy magában a kapszulában, sőt, a harmadik változatban közvetlenül a fém membránhoz csatlakoztatva található az impedancia átalakító és erősítő áramkör – vagy legalábbis annak egy része.

Néhány változatot megmutatok, csak hogy lásd, pár alkatrész az egész. A tápfeszültség 1,5 V-tól kb. 20 voltig bármekkora lehet. Akár fantomtápot is használhatunk, hiszen a mikrofon nyelében egy osztóval csökkenthető a tápfeszültség.

be10

Az elektret mikrofonokból, illetve az elektretre épülő integrált mikrofonokból gyártják a mikrofonok közül legtöbbet, évente legalább egymilliárd darabot, hiszen a mobiltelóktól a laptopon keresztül a stúdiókig mindenféle változat készül. Sőt, már mérőmikrofon is létezik.

A legolcsóbbak még 100 forintba se kerülnek – de annyit sem érnek.

be11

Szkájpolásra, számítógépes partikban egymással beszélgetésre valók, ha nincs jobb. A gyalog mobilokban is ilyenek vannak, nem csoda, ha szót sem értesz a partneredből.

A stúdiócélokra és hangosításokra készült elektret mikrofonok sokkal többe kerülnek, de általában jóval olcsóbbak, mint a valódi kondenzátor mikrofonok.

be12

A kondenzátor mérőmikrofonok árához képest az elektret mérőmikrofonok – vagy amit annak neveznek – is meglepően olcsók. Ha nincs szükség pontos mérésre, bizonyára ezek is jók, de akusztikus szakember felszerelésében én még nem láttam ilyet. Szerencsére a rockzenei és a diszkós gyakorlatban nincs szükség pontos mérésekre, vagy ha mégis, abba jobb nem belekontárkodni.