Kondensator wodny - Water capacitor

Graficzna reprezentacja indukcyjnie sprzężonego generatora Marksa , opartego na kondensatorach wodnych. Kolor niebieski to woda między płytami, a kulki w środkowej kolumnie to iskierniki, które przełamują się, aby umożliwić równoległe ładowanie kondensatorów i szybkie rozładowywanie się szeregowo.

Kondensator woda jest urządzeniem, które stosuje się wodę jako dielektrycznej czynnika izolacyjnego.

Teoria operacji

Kondensator jest urządzenie, w którym energia elektryczna jest wprowadzana i mogą być przechowywane w późniejszym czasie. Kondensator składa się z dwóch przewodów oddzielonych obszarem nieprzewodzącym. Obszar nieprzewodzący nazywany jest dielektrykiem lub izolatorem elektrycznym. Przykładami tradycyjnych nośników dielektrycznych są powietrze, papier i niektóre półprzewodniki. Kondensator jest systemem samodzielnym, izolowanym bez ładunku elektrycznego netto. Przewody muszą posiadać równe i przeciwne ładunki na swoich powierzchniach czołowych.

Woda jako dielektryk

Konwencjonalne kondensatory wykorzystują materiały takie jak szkło lub ceramika jako medium izolacyjne do przechowywania ładunku elektrycznego . Kondensatory wodne zostały stworzone głównie jako nowość lub do eksperymentów laboratoryjnych i mogą być wykonane z prostych materiałów. Woda wykazuje właściwości samoleczenia; jeśli nastąpi awaria elektryczna przez wodę, szybko wraca do swojego pierwotnego i nieuszkodzonego stanu. Inne izolatory płynne są podatne na karbonizację po awarii i mają tendencję do utraty wytrzymałości z czasem.

Wadą korzystania z wody jest krótki czas, przez jaki może ona utrzymać napięcie, zwykle w zakresie od mikrosekund do dziesięciu mikrosekund (μs). Woda dejonizowana jest stosunkowo niedroga i bezpieczna dla środowiska. Te cechy, wraz z wysoką stałą dielektryczną , sprawiają, że woda jest doskonałym wyborem do budowy dużych kondensatorów. Jeśli uda się znaleźć sposób na niezawodne wydłużenie czasu przetrzymania przy danym natężeniu pola, będzie więcej zastosowań kondensatorów wodnych.

Wykazano, że woda nie jest bardzo niezawodną substancją do przechowywania ładunku elektrycznego przez długi czas, dlatego do produkcji kondensatorów w zastosowaniach przemysłowych stosuje się bardziej niezawodne materiały. Jednak woda ma tę zaletę, że sama się leczy po awarii, a jeśli woda jest stale krążona przez żywicę dejonizującą i filtry, można ustabilizować odporność na straty i zachowanie dielektryczne. Dlatego w pewnych nietypowych sytuacjach, takich jak generowanie bardzo wysokiego napięcia, ale bardzo krótkich impulsów, praktycznym rozwiązaniem może być kondensator wodny – na przykład w eksperymentalnym pulserze rentgenowskim.

Materiał dielektryczny definiuje się jako materiał, który jest izolatorem elektrycznym. Izolator elektryczny to materiał, który nie pozwala na przepływ ładunku. Ładunek może płynąć w postaci elektronów lub jonów chemicznych. Zgodnie z tą definicją ciekła woda nie jest izolatorem elektrycznym, a zatem ciekła woda nie jest dielektrykiem. Siebie jonizacja wody jest procesem, w którym mała ilość cząsteczek wody dysocjują w jony dodatnie i ujemne. To właśnie ten proces nadaje czystej ciekłej wodzie jej właściwą przewodność elektryczną.

Ze względu na samojonizację, w temperaturze otoczenia czysta ciekła woda ma podobne stężenie samoistnego nośnika ładunku do półprzewodnikowego germanu i samoistne stężenie nośnika ładunku o trzy rzędy wielkości większe niż półprzewodnikowy krzem, stąd na podstawie stężenia nośnika ładunku woda nie może być uważane za materiał czysto dielektryczny lub w pełni izolator elektryczny, ale za ograniczony przewodnik ładunku.

Eksperymentalny

Zmierzono rozładowanie platynowego kondensatora z płytami równoległymi umieszczonego w naczyniu wypełnionym wodą ultraczystą. Obserwowany trend wyładowania można było opisać zmodyfikowanym równaniem Poissona-Boltzmanna tylko wtedy, gdy napięcie było bardzo niskie. a pojemność układu wykazała zależność od odległości między dwiema płytami platynowymi. Przenikalność wody, obliczona biorąc pod uwagę układ jako kondensator płaski, okazała się bardzo wysoka. To zachowanie można wyjaśnić teorią materiałów super dielektrycznych. Teoria materiałów superdielektrycznych i proste testy wykazały, że materiał na zewnątrz równoległego kondensatora płytowego radykalnie zwiększa pojemność, gęstość energii i gęstość mocy. Proste równoległe kondensatory płytowe z tylko powietrzem otoczenia między płytami zachowywały się zgodnie ze standardową teorią. Gdy ten sam kondensator został częściowo zanurzony w wodzie dejonizowanej (DI) lub DI o niskim stężeniu rozpuszczonego NaCl, nadal z powietrzem otoczenia między elektrodami, pojemność, gęstość energii i gęstość mocy przy niskiej częstotliwości wzrosły o ponad siedem rzędów wielkości. Warto zauważyć, że konwencjonalna teoria wyklucza możliwość, że materiał znajdujący się poza objętością między płytami w jakikolwiek sposób wpłynie na zachowanie pojemnościowe.

Zbadano wpływ przyłożenia napięć od 0,1 do 0,82 V na czystą wodę pomiędzy elektrodami metalowymi. Śledzono ruch jonów hydroniowych od i jonów wodorotlenkowych w kierunku anody. Ruch ten spowodował powstanie podwójnej warstwy jonowej o stromo rosnącym polu elektrycznym i maksymalnym pH około 12. Na katodzie nastąpiło coś przeciwnego, a pH osiągnęło minimum około 1,7.

Przejście od przewodzącego do dielektrycznego ekranowania pól elektrycznych przez rurkę z czystą wodą zbadano przy użyciu równoległego kondensatora płytowego, który został użyty do wygenerowania jednolitego pola elektrycznego. Dwie koncentryczne rurki z pleksiglasu akrylowego przeszły prostopadle przez pole elektryczne wytwarzane między płytami. Obszar pomiędzy rurkami wypełniony był powietrzem lub wodą. Elektroda zawieszona w wewnętrznej rurce z pleksiglasu została wykorzystana do wykrycia potencjału elektrycznego w jej miejscu. Czujnik został zaprojektowany tak, aby można go było obracać w celu pomiaru potencjału w drugiej pozycji symetrycznej. Z różnicy obu potencjałów można było określić zależność częstotliwościową wielkości i fazy pola elektrycznego. Z wodą dejonizowaną pomiędzy rurkami, wielkość i fazę wewnętrznego pola elektrycznego mierzono od 100 Hz do 300 kHz. Zaobserwowano odpowiedź częstotliwościową filtra górnoprzepustowego oczekiwaną dla rurki dielektrycznej o niepomijalnej przewodności. Dopasowanie do danych dało bardzo sensowną wartość doświadczalną dla stosunku przewodności wody do jej stałej dielektrycznej. Model przewidywał również, że przy zerowej częstotliwości (statyczne pole elektryczne) czysta woda będzie zachowywać się jak klatka Faradaya .

Aplikacje

Prosty typ kondensatora wodnego jest tworzony przy użyciu wypełnionych wodą szklanych słoików i pewnej formy materiału izolacyjnego do zakrycia końców słoika. Kondensatory wodne nie są szeroko stosowane w środowisku przemysłowym ze względu na ich duże rozmiary fizyczne dla danej pojemności. Przewodność wody może zmieniać się bardzo szybko i jest nieprzewidywalna, jeśli zostanie otwarta na atmosferę. Wykazano, że wiele zmiennych, takich jak temperatura, poziom pH i zasolenie , zmienia przewodnictwo w wodzie. W rezultacie w większości zastosowań istnieją lepsze alternatywy dla kondensatora wodnego.

Napięcie wytrzymywane impulsowo dokładnie oczyszczonej wody może być bardzo wysokie – ponad 100kV/cm (w porównaniu do około 10 cm przy takim samym napięciu w suchym powietrzu).

Kondensator jest przeznaczony do przechowywania energii elektrycznej po odłączeniu od źródła ładowania. W porównaniu z bardziej konwencjonalnymi urządzeniami, kondensatory wodne nie są obecnie praktycznymi urządzeniami do zastosowań przemysłowych. Pojemność można zwiększyć przez dodanie do wody elektrolitów i minerałów, ale zwiększa to samoprzeciek i nie można tego zrobić poza jej punkt nasycenia.

Zagrożenia i korzyści

Nowoczesne kondensatory wysokonapięciowe mogą utrzymywać ładunek długo po odłączeniu zasilania. Ładunek ten może spowodować niebezpieczne, a nawet potencjalnie śmiertelne wstrząsy, jeśli zmagazynowana energia wynosi więcej niż kilka dżuli . Na znacznie niższych poziomach zmagazynowana energia może nadal powodować uszkodzenia podłączonego sprzętu. Kondensatory wodne, samorozładowujące się (dla wody całkowicie czystej, tylko zjonizowanej termicznie, w temperaturze 25°C (77°F) stosunek przewodności do przenikalności oznacza, że ​​czas samorozładowania wynosi około 180μs, szybciej przy wyższych temperaturach lub rozpuszczonych zanieczyszczeniach) zwykle nie można zmusić do przechowywania wystarczającej ilości pozostałej energii elektrycznej, aby spowodować poważne obrażenia ciała.

W przeciwieństwie do wielu dużych przemysłowych kondensatorów wysokiego napięcia, kondensatory wodne nie wymagają oleju. Olej znajdujący się w wielu starszych konstrukcjach kondensatorów może być toksyczny zarówno dla zwierząt, jak i dla ludzi. Jeśli kondensator pęknie i wydostanie się z niego olej, olej często przedostaje się do wód gruntowych , co z czasem może powodować problemy zdrowotne.

Historia

Kondensatory wywodzą się z urządzenia zwanego słoikiem Leyden , stworzonego przez holenderskiego fizyka Pietera van Musschenbroeka . Słoik lejdejski składał się ze szklanego słoika z warstwami folii aluminiowej po wewnętrznej i zewnętrznej stronie słoika. Elektroda prętowa była bezpośrednio połączona z warstwą folii za pomocą małego łańcuszka lub drutu. To urządzenie gromadziło elektryczność statyczną powstałą podczas pocierania bursztynu i wełny.

Chociaż konstrukcja i materiały użyte w kondensatorach bardzo się zmieniły w historii, podstawowe zasady pozostają takie same. Generalnie kondensatory to bardzo proste urządzenia elektryczne, które w dzisiejszym zaawansowanym technologicznie świecie mogą mieć wiele zastosowań. Nowoczesny kondensator zwykle składa się z dwóch płytek przewodzących umieszczonych wokół izolatora. Badacz elektryczny Nicola Tesla określił kondensatory jako „elektryczny odpowiednik dynamitu”.

Uwagi

Bibliografia