Vandkondensator - Water capacitor

Grafisk fremstilling af en induktivt koblet Marx -generator , baseret på vandkondensatorer. Det blå er vandet mellem pladerne, og kuglerne i den centrale søjle er gnistgabene, der bryder over for at gøre det muligt for kondensatorerne at oplade parallelt og aflades hurtigt i serie.

En vandkondensator er en enhed, der bruger vand som dets dielektriske isolerende medium.

Teori om drift

En kondensator er en enhed, hvor elektrisk energi indføres og kan lagres på et senere tidspunkt. En kondensator består af to ledere adskilt af et ikke-ledende område. Den ikke-ledende region kaldes den dielektriske eller elektriske isolator. Eksempler på traditionelle dielektriske medier er luft, papir og visse halvledere. En kondensator er et selvstændigt system, der er isoleret uden netto elektrisk ladning. Lederne skal holde lige og modsatrettede ladninger på deres modstående overflader.

Vand som dielektrikum

Konventionelle kondensatorer bruger materialer som glas eller keramik som deres isolerende medium til at lagre en elektrisk ladning . Vandkondensatorer blev hovedsageligt skabt som en nyhed eller til laboratorieforsøg og kan laves med enkle materialer. Vand udviser kvaliteten af ​​at være selvhelbredende; hvis der er elektrisk nedbrud gennem vandet, vender det hurtigt tilbage til sin oprindelige og uskadelige tilstand. Andre flydende isolatorer er tilbøjelige til kulsyre efter nedbrydning og har en tendens til at miste deres holdstyrke over tid.

Ulempen ved at bruge vand er den korte tid, det kan holde spændingen af, typisk inden for mikrosekund til ti mikrosekund (μs). Deioniseret vand er relativt billigt og miljøvenligt. Disse egenskaber sammen med den høje dielektriske konstant gør vand til et glimrende valg til opbygning af store kondensatorer. Hvis der kan findes en måde til pålidelig at øge hold -off -tiden for en given feltstyrke, vil der være flere applikationer til vandkondensatorer.

Vand har vist sig ikke at være et meget pålideligt stof til at lagre elektrisk ladning på lang sigt, så mere pålidelige materialer bruges til kondensatorer i industrielle applikationer. Vand har imidlertid den fordel, at det er selvhelbredende efter et sammenbrud, og hvis vandet støt cirkuleres gennem en deioniserende harpiks og filtre, kan tabsmodstanden og dielektrisk adfærd stabiliseres. I visse usædvanlige situationer, såsom generering af ekstremt høj spænding, men meget korte impulser, kan en vandkondensator således være en praktisk løsning - f.eks. I en eksperimentel røntgenpulser.

Et dielektrisk materiale defineres som et materiale, der er en elektrisk isolator. En elektrisk isolator er et materiale, der ikke tillader strømning af ladning. Opladning kan strømme som elektroner eller ioniske kemiske arter. Ved denne definition er flydende vand ikke en elektrisk isolator, og derfor er flydende vand ikke et dielektrikum. Den vands autoprotolyse er en proces, hvor en lille andel af vandmolekyler dissocieres til positive og negative ioner. Det er denne proces, der giver rent flydende vand dets iboende elektriske ledningsevne.

På grund af selvionisering har rent flydende vand ved omgivelsestemperaturer en lignende koncentration af egen ladningsbærer som halvleder germanium og en indre ladningsbærerkoncentration tre størrelsesordener større end halvleder silicium, derfor kan vand ikke baseret på ladningsbærerkoncentration betragtes som et rent dielektrisk materiale eller fuld elektrisk isolator, men som en begrænset ladningsleder.

Eksperimentel

Udledningen af ​​en platin parallel-plade kondensator placeret i et kar fyldt med ultrarent vand er blevet målt. Den observerede afladningstendens kunne kun beskrives ved en ændret Poisson-Boltzmann-ligning, når spændingen var meget lav. og systemkapacitansen viste en afhængighed af afstanden mellem de to platinplader. Vandets permittivitet, beregnet i betragtning af systemet som en plan kondensator, syntes at være meget høj. Denne adfærd kan forklares ved teorien om super dielektriske materialer. Teorien om super dielektriske materialer og enkle tests viste, at materiale på ydersiden af ​​en parallel pladekondensator dramatisk øger kapacitans, energitæthed og effekttæthed. Enkle parallelle pladekondensatorer med kun omgivende luft mellem pladerne opførte sig i henhold til standardteori. Når den samme kondensator var delvist nedsænket i deioniseret vand (DI) eller DI med lave opløste NaCl -koncentrationer, stadig med kun omgivende luft mellem elektroderne, steg kapacitansen, energitætheden og effekttætheden ved lav frekvens med mere end syv størrelsesordener. Konventionel teori udelukker især muligheden for, at materiale uden for volumenet mellem pladerne på nogen måde vil påvirke kapacitiv adfærd.

Der blev undersøgt effekten af ​​at påføre spændinger fra 0,1 til 0,82V på rent vand mellem metalelektroder. Bevægelsen af ​​hydroniumioner væk fra og hydroxidioner mod anoden blev fulgt. Denne bevægelse resulterede i dannelsen af ​​et ion-dobbeltlag med et kraftigt stigende elektrisk felt og en maksimal pH på ca. 12. Ved katoden skete det modsatte, og pH-værdien når et minimum på ca. 1,7.

Overgangen fra ledende til dielektrisk screening af elektriske felter med et rør rent vand er blevet undersøgt ved hjælp af en parallel pladekondensator, der blev brugt til at generere et ensartet elektrisk felt. To koncentriske akrylplexiglasrør passerede vinkelret gennem det elektriske felt, der genereres mellem pladerne. Området mellem rørene var fyldt med luft eller vand. En elektrode, ophængt inde i det indre plexiglasrør, blev brugt til at registrere det elektriske potentiale på dens placering. Sensoren var designet, så den kunne drejes for at måle potentialet ved en anden symmetrisk position. Ud fra forskellen i de to potentialer kunne frekvensafhængigheden af ​​størrelsen og fasen af ​​det elektriske felt bestemmes. Med deioniseret vand mellem rørene blev størrelsen og fasen af ​​det indre elektriske felt målt fra 100 Hz til 300 kHz. Det højpasfilterfrekvensrespons, der forventes for et dielektrisk rør med ikke-ubetydelig ledningsevne, blev observeret. Passer til dataene gav en meget rimelig eksperimentel værdi for forholdet mellem vandets ledningsevne og dets dielektriske konstant. Modellen forudsagde også, at rent vand ved nulfrekvens (et statisk elektrisk felt) forventes at opføre sig som et Faraday -bur .

Ansøgninger

En simpel type vandkondensator skabes ved at bruge vandfyldte glasglas og en form for isolerende materiale til at dække glassets ender. Vandkondensatorer bruges ikke meget i industrisamfundet på grund af deres store fysiske størrelse til en given kapacitans. Vandets ledningsevne kan ændre sig meget hurtigt og er uforudsigelig, hvis det efterlades åbent for atmosfæren. Mange variabler som temperatur, pH -niveauer og saltindhold har vist sig at ændre ledningsevne i vand. Som et resultat er der bedre alternativer til vandkondensatoren i de fleste applikationer.

Pulsens modstandsspænding af omhyggeligt renset vand kan være meget høj - over 100kV/cm (sammenlignet med ca. 10 cm for den samme spænding i tør luft).

En kondensator er designet til at lagre elektrisk energi, når den afbrydes fra dens opladningskilde. Sammenlignet med mere konventionelle enheder er vandkondensatorer i øjeblikket ikke praktiske enheder til industrielle applikationer. Kapacitansen kan øges ved tilsætning af elektrolytter og mineraler til vandet, men dette øger selvlækagen og kan ikke udføres ud over dets mætningspunkt.

Farer og fordele

Moderne højspændingskondensatorer kan beholde deres opladning længe efter at strømmen er fjernet. Denne ladning kan forårsage farlige eller endda potentielt dødelige stød, hvis den lagrede energi er mere end et par joule . På meget lavere niveauer kan lagret energi stadig forårsage skade på tilsluttet udstyr. Vandkondensatorer, der er selvafladende, (for helt rent vand, kun termisk ioniseret, ved 25 ° C (77 ° F) betyder forholdet mellem konduktivitet og permittivitet, at selvudladningstiden er cirka 180μs, hurtigere med højere temperaturer eller opløste urenheder) kan ikke fås til at lagre tilstrækkelig resterende elektrisk energi til at forårsage alvorlig kropsskade.

I modsætning til mange store industrielle højspændingskondensatorer kræver vandkondensatorer ikke olie. Olie fundet i mange ældre designs af kondensatorer kan være giftig for både dyr og mennesker. Hvis en kondensator bryder op, og dens olie frigives, finder olien ofte vej ind i vandspejlet , hvilket kan forårsage sundhedsproblemer over tid.

Historie

Kondensatorer kan oprindeligt spores tilbage til en enhed kaldet en Leyden -krukke , skabt af den hollandske fysiker Pieter van Musschenbroek . Leyden -krukken bestod af en glaskrukke med stanniolfolier på indersiden og ydersiden af ​​krukken. En stangelektrode blev direkte forbundet til folielaget ved hjælp af en lille kæde eller tråd. Denne enhed lagrede statisk elektricitet, der blev skabt når rav og uld blev gnides sammen.

Selvom design og materialer, der bruges i kondensatorer, har ændret sig meget gennem historien, er de grundlæggende fundamentale de samme. Generelt er kondensatorer meget enkle elektriske enheder, som kan have mange anvendelsesmuligheder i dagens teknologisk avancerede verden. En moderne kondensator består normalt af to ledende plader klemt rundt om en isolator. Elektrisk forsker Nicola Tesla beskrev kondensatorer som "elektrisk ækvivalent til dynamit".

Noter

Referencer