Víz kondenzátor - Water capacitor

Az induktív csatolású Marx -generátor grafikus ábrázolása vízkondenzátorokon alapul. A kék a víz a lemezek között, és a középső oszlopban lévő golyók a szikraközök, amelyek áttörnek, hogy a kondenzátorok párhuzamosan tölthessenek, és gyorsan sorozatosan kisüljenek.

A vízkondenzátor olyan eszköz, amely vizet használ dielektromos szigetelő közegként.

A működés elmélete

A kondenzátor olyan eszköz, amelyben elektromos energiát vezetnek be, és később tárolható. A kondenzátor két vezetőből áll, amelyeket nem vezető rész választ el. A nem vezető részt dielektromos vagy elektromos szigetelőnek nevezik. A hagyományos dielektromos közegek például a levegő, a papír és bizonyos félvezetők. A kondenzátor önálló rendszer, elkülönítve, nettó elektromos töltés nélkül. A vezetőknek egyenlő és ellentétes töltéseket kell tartaniuk felületeiken.

A víz, mint dielektrikum

A hagyományos kondenzátorok olyan anyagokat használnak, mint az üveg vagy kerámia szigetelő közegként az elektromos töltés tárolására . A vízkondenzátorokat főként újdonságként vagy laboratóriumi kísérletek céljából hozták létre, és egyszerű anyagokból készíthetők. A víz az öngyógyítás minőségét mutatja; ha elektromos meghibásodás történik a vízben, akkor gyorsan visszatér eredeti és sértetlen állapotába. Más folyékony szigetelők hajlamosak a karbonizálódásra a bontás után, és idővel hajlamosak elveszíteni a tartósságukat.

A víz használatának hátránya az a rövid idő, ameddig le tudja tartani a feszültséget, jellemzően a mikroszekundum -tíz mikroszekundum (μs) tartományban. Az ionmentes víz viszonylag olcsó és környezetbarát. Ezek a jellemzők, valamint a nagy dielektromos állandó , kiválóvá teszik a vizet nagy kondenzátorok építéséhez. Ha módot találunk arra, hogy egy adott térerősséghez megbízhatóan növeljük a visszatartási időt, akkor több alkalmazás lesz a vízkondenzátorokra.

A vízről kimutatták, hogy nem túl megbízható anyag az elektromos töltés hosszú távú tárolására, ezért megbízhatóbb anyagokat használnak a kondenzátorokhoz az ipari alkalmazásokban. A víznek azonban megvan az az előnye, hogy meghibásodás után öngyógyul, és ha a vizet folyamatosan keringteti egy ioncserélő gyantán és szűrőkön, akkor a veszteségállóság és a dielektromos viselkedés stabilizálható. Így bizonyos szokatlan helyzetekben, például rendkívül nagy feszültségű, de nagyon rövid impulzusok előállítása során a vízkondenzátor gyakorlati megoldás lehet - például egy kísérleti röntgenpulzusban.

A dielektromos anyag olyan elektromos anyag, amely elektromos szigetelő. Az elektromos szigetelő olyan anyag, amely nem teszi lehetővé a töltés áramlását. A töltés elektronként vagy ionos vegyi anyagként áramolhat. E definíció szerint a folyékony víz nem elektromos szigetelő, így a folyékony víz nem dielektrikum. A víz önionizációja olyan folyamat, amelyben a vízmolekulák kis része pozitív és negatív ionokká disszociál. Ez az eljárás adja a tiszta folyékony víznek a benne rejlő elektromos vezetőképességet.

Az önionizáció miatt környezeti hőmérsékleten a tiszta folyékony víz belső töltéshordozó-koncentrációja hasonló a félvezető germániumhoz, és belső töltéshordozó-koncentrációja három nagyságrenddel nagyobb, mint a félvezető szilíciumé, ezért a töltéshordozó-koncentráció alapján a víz nem képes tisztán dielektromos anyagnak vagy teljes elektromos szigetelőnek kell tekinteni, de korlátozott töltésvezetőként.

Kísérleti

Megmértük az ultra tiszta vízzel töltött edénybe helyezett platina párhuzamos lemez kondenzátor kisülését. A megfigyelt kisülési tendenciát csak akkor lehet leírni egy módosított Poisson-Boltzmann-egyenlettel, ha a feszültség nagyon alacsony volt. és a rendszer kapacitása függőséget mutatott a két platinalemez közötti távolságtól. A víz permittivitása, amelyet a rendszer síkkondenzátornak tekintve számított, nagyon magasnak tűnt. Ez a viselkedés magyarázható a szuper dielektromos anyagok elméletével. A szuper dielektromos anyagok elmélete és az egyszerű tesztek azt mutatták, hogy a párhuzamos lemez kondenzátor külső oldalán lévő anyag drámaian megnöveli a kapacitást, az energia sűrűséget és a teljesítménysűrűséget. Egyszerű párhuzamos lemezkondenzátorok, amelyek között csak környezeti levegő van a lemezek között, a szokásos elmélet szerint viselkedtek. Miután ugyanazt a kondenzátort részben elmerítették ioncserélt vízben (DI), vagy DI -ban alacsony oldott NaCl -koncentrációban, még mindig csak környezeti levegővel az elektródák között, a kapacitás, az energiasűrűség és a teljesítménysűrűség alacsony frekvencián több mint héttel nőtt nagyságrendekkel. Nevezetesen, a hagyományos elmélet kizárja annak lehetőségét, hogy a lemezek közötti térfogaton kívüli anyag bármilyen módon befolyásolja a kapacitív viselkedést.

Vizsgálatot végeztek a 0,1–0,82 V feszültség hatásának hatására a tiszta vízre a fémelektródák között. Követtük a hidronium -ionok elmozdulását és a hidroxid -ionok elmozdulását az anód felé. Ez a mozgás egy ionos kettős réteg kialakulását eredményezte, meredeken emelkedő elektromos mezővel, és a maximális pH-értéke körülbelül 12. A katódon az ellenkezője történt, és a pH elérte a minimum 1,7 értéket.

Az elektromos mezők vezetőképes és dielektromos szűréséről való átmenetet tiszta vízcső segítségével egy párhuzamos lemezes kondenzátor segítségével vizsgálták, amelyet egységes elektromos tér létrehozására használtak. Két koncentrikus akril plexi cső merőlegesen haladt át a lemezek között keletkező elektromos mezőn. A csövek közötti területet levegővel vagy vízzel töltötték fel. A belső plexicsőbe függesztett elektródát használták az elektromos potenciál érzékelésére a helyén. Az érzékelőt úgy tervezték, hogy el lehessen forgatni, hogy mérje a potenciált egy második szimmetrikus helyzetben. A két potenciál különbségéből meg lehetett határozni az elektromos tér nagyságának és fázisának frekvenciafüggését. A csövek között ioncserélt vízzel mértük a belső elektromos mező nagyságát és fázisát 100 Hz -től 300 kHz -ig. Megfigyelték a nem elhanyagolható vezetőképességű dielektromos csőre várt felüláteresztő szűrőfrekvencia-választ. Az adatokhoz való illeszkedés nagyon ésszerű kísérleti értéket adott a víz vezetőképességének és dielektromos állandójának arányához. A modell azt is megjósolta, hogy nulla frekvencián (statikus elektromos mező) a tiszta víz Faraday ketrecként viselkedik .

Alkalmazások

Egy egyszerű típusú vízkondenzátort vízzel töltött üvegedények és valamilyen szigetelőanyag felhasználásával hoznak létre az edény végeinek lefedésére. A vízkondenzátorokat nem használják széles körben az ipari közösségben, mivel nagy fizikai méretük van egy adott kapacitáshoz. A víz vezetőképessége nagyon gyorsan változhat, és kiszámíthatatlan, ha nyitva hagyják a légkör számára. Számos változó, például a hőmérséklet, a pH -érték és a sótartalom bizonyította, hogy megváltoztatja a vezetőképességet a vízben. Ennek eredményeként az alkalmazások többségében vannak jobb alternatívák a vízkondenzátorra.

A gondosan tisztított víz impulzus -ellenálló feszültsége nagyon magas lehet - több mint 100 kV/cm (összehasonlítva körülbelül 10 cm -rel ugyanazon feszültségnél száraz levegőben).

A kondenzátort úgy tervezték, hogy tárolja az elektromos energiát, amikor le van választva a töltőforrásról. A hagyományosabb készülékekhez képest a vízkondenzátorok jelenleg nem praktikus eszközök ipari alkalmazásokhoz. A kapacitás növelhető elektrolitok és ásványi anyagok hozzáadásával a vízhez, de ez növeli az önszivárgást, és nem tehető meg telítési pontján túl.

Veszélyek és előnyök

A modern nagyfeszültségű kondenzátorok sokáig megtarthatják töltésüket az áramellátás megszüntetése után. Ez a töltés veszélyes vagy akár halálos sokkot is okozhat, ha a tárolt energia több joule -nál nagyobb . Sokkal alacsonyabb szinten a tárolt energia továbbra is károsíthatja a csatlakoztatott berendezéseket. Az önkisülő vízkondenzátorok (teljesen tiszta víz esetén, csak termikusan ionizálva, 25 ° C -on (77 ° F) a vezetőképesség és a permittivitás aránya azt jelenti, hogy az önkisülés ideje körülbelül 180 μs, gyorsabb magasabb hőmérséklet vagy oldott szennyeződések esetén) nem lehet elegendő maradék elektromos energiát tárolni, hogy súlyos testi sérülést okozzon.

Ellentétben sok nagy ipari nagyfeszültségű kondenzátorral, a vízkondenzátorok nem igényelnek olajat. A régebbi típusú kondenzátorokban található olaj mérgező lehet állatokra és emberekre egyaránt. Ha egy kondenzátor felszakad, és az olaj felszabadul, az olaj gyakran a vízszintbe kerül , ami idővel egészségügyi problémákat okozhat.

Történelem

A kondenzátorok eredetileg egy Leyden jar nevű eszközre vezethetők vissza , amelyet Pieter van Musschenbroek holland fizikus készített . A Leyden -edény egy üvegedényből állt, és az üveg belső és külső részén ónfólia rétegekkel. Egy rúdelektródát közvetlenül egy kis lánccal vagy dróttal csatlakoztattak a fólia rétegéhez. Ez az eszköz statikus elektromosságot tárolt, amikor a borostyán és a gyapjú összedörzsölték.

Bár a kondenzátorok kialakítása és anyaga nagymértékben megváltozott a történelem során, az alapvető alapok ugyanazok maradnak. Általánosságban elmondható, hogy a kondenzátorok nagyon egyszerű elektromos készülékek, amelyek sokféleképpen használhatók a mai technológiailag fejlett világban. Egy modern kondenzátor általában két vezető lemezből áll, amelyek egy szigetelő körül vannak elhelyezve. Nicola Tesla elektromos kutató a kondenzátorokat a "dinamit elektromos megfelelőjének" nevezte.

Megjegyzések

Hivatkozások