Vannkondensator - Water capacitor

Grafisk fremstilling av en induktivt koblet Marx -generator , basert på vannkondensatorer. Det blå er vannet mellom platene, og kulene i den midterste kolonnen er gnistgapene som bryter over for å la kondensatorene lades parallelt og utlades raskt i serie.

En vannkondensator er en enhet som bruker vann som sitt dielektriske isolasjonsmedium.

Operasjonsteori

En kondensator er en enhet der elektrisk energi blir introdusert og kan lagres for et senere tidspunkt. En kondensator består av to ledere atskilt med et ikke-ledende område. Den ikke-ledende regionen kalles den dielektriske eller elektriske isolatoren. Eksempler på tradisjonelle dielektriske medier er luft, papir og visse halvledere. En kondensator er et selvstendig system, isolert uten netto elektrisk ladning. Lederne må holde like og motsatte ladninger på sine overflater.

Vann som dielektrikum

Konvensjonelle kondensatorer bruker materialer som glass eller keramikk som isolasjonsmedium for å lagre en elektrisk ladning . Vannkondensatorer ble hovedsakelig laget som en nyhet eller for laboratorieforsøk, og kan lages med enkle materialer. Vann viser kvaliteten på å være selvhelbredende; hvis det er et elektrisk sammenbrudd gjennom vannet, går det raskt tilbake til sin opprinnelige og uskadelige tilstand. Andre væskeisolatorer er utsatt for karbonisering etter sammenbrudd, og har en tendens til å miste holdfastheten over tid.

Ulempen med å bruke vann er den korte tiden det kan holde av spenningen, vanligvis i mikrosekund til ti mikrosekund (μs). Avionisert vann er relativt billig og er miljøvennlig. Disse egenskapene, sammen med den høye dielektriske konstanten , gjør vann til et utmerket valg for å bygge store kondensatorer. Hvis det kan bli funnet en måte for pålitelig å øke ventetiden for en gitt feltstyrke, vil det være flere applikasjoner for vannkondensatorer.

Vann har vist seg ikke å være et veldig pålitelig stoff for å lagre elektrisk ladning på lang sikt, så mer pålitelige materialer brukes til kondensatorer i industrielle applikasjoner. Imidlertid har vann fordelen av å være selvhelbredende etter et sammenbrudd, og hvis vannet sirkuleres jevnt gjennom en avioniserende harpiks og filtre, kan tapsmotstanden og dielektrisk oppførsel stabiliseres. I visse uvanlige situasjoner, for eksempel generering av ekstremt høy spenning, men veldig korte pulser, kan en vannkondensator være en praktisk løsning - for eksempel i en eksperimentell røntgenpulser.

Et dielektrisk materiale er definert som et materiale som er en elektrisk isolator. En elektrisk isolator er et materiale som ikke tillater strømning av ladning. Ladning kan strømme som elektroner eller ioniske kjemiske arter. Ved denne definisjonen er ikke flytende vann en elektrisk isolator, og derfor er ikke flytende vann et dielektrikum. Den selv-ionisering av vann er en prosess hvor en liten andel av vannmolekyler dissosiere til positive og negative ioner. Det er denne prosessen som gir rent flytende vann sin iboende elektriske ledningsevne.

På grunn av selvionisering har rent flytende vann ved omgivelsestemperaturer en lignende konsentrasjon av egen ladningsbærer som halvlederen germanium og en egen ladningsbærerkonsentrasjon på tre størrelsesordener større enn halvleder silisium, derfor kan vann ikke anses å være et rent dielektrisk materiale eller full elektrisk isolator, men for å være en begrenset ladningsleder.

Eksperimentell

Utslippet av en platina parallellplatekondensator plassert i et kar fylt med ultrarent vann er målt. Den observerte utladningstrenden kunne bare beskrives av en modifisert Poisson-Boltzmann-ligning når spenningen var veldig lav. og systemkapasitansen viste en avhengighet av avstanden mellom de to platinumplatene. Vannets permittivitet, beregnet med tanke på systemet som en plan kondensator, så ut til å være veldig høy. Denne oppførselen kan forklares med teorien om superdielektriske materialer. Teorien om superdielektriske materialer og enkle tester viste at materiale på utsiden av en parallellplatekondensator dramatisk øker kapasitans, energitetthet og effekttetthet. Enkle parallelle platekondensatorer med bare omgivelsesluft mellom platene oppførte seg i henhold til standardteori. Når den samme kondensatoren var delvis nedsenket i avionisert vann (DI), eller DI med lave oppløste NaCl -konsentrasjoner, fortsatt med bare omgivelsesluft mellom elektrodene, økte kapasitansen, energitettheten og effekttettheten ved lav frekvens med mer enn syv Størrelsesordener. Konvensjonell teori utelukker spesielt muligheten for at materiale utenfor volumet mellom platene på noen måte vil påvirke kapasitiv oppførsel.

Det ble undersøkt effekten av å påføre spenninger fra 0,1 til 0,82V på rent vann mellom metallelektroder. Bevegelsen av hydroniumioner bort fra og hydroksidioner mot anoden ble fulgt. Denne bevegelsen resulterte i dannelse av et ion-dobbeltlag med et kraftig stigende elektrisk felt og en maksimal pH på omtrent 12. Ved katoden skjedde det motsatte og pH når et minimum på omtrent 1,7.

Overgangen fra ledende til dielektrisk screening av elektriske felt med et rør med rent vann har blitt undersøkt ved bruk av en parallellplatekondensator som ble brukt til å generere et jevnt elektrisk felt. To konsentriske akrylplexiglassrør passerte vinkelrett gjennom det elektriske feltet som ble generert mellom platene. Området mellom rørene var fylt med luft eller vann. En elektrode, suspendert inne i det indre plexiglassrøret, ble brukt til å føle det elektriske potensialet på stedet. Sensoren var designet slik at den kunne roteres for å måle potensialet ved en andre symmetrisk posisjon. Fra forskjellen i de to potensialene kan frekvensavhengigheten til størrelsen og fasen til det elektriske feltet bestemmes. Med avionisert vann mellom rørene ble størrelsen og fasen til det indre elektriske feltet målt fra 100 Hz til 300 kHz. Høypassfilterfrekvensresponsen som forventes for et dielektrisk rør med ikke-ubetydelig konduktivitet ble observert. Tilpasning til dataene ga en meget rimelig eksperimentell verdi for forholdet mellom vannets konduktivitet og dens dielektriske konstant. Modellen spådde også at rent vann ville forventes å oppføre seg som et Faraday -bur ved null frekvens (et statisk elektrisk felt) .

applikasjoner

En enkel type vannkondensator lages ved å bruke vannfylte glassbøtter og en form for isolerende materiale for å dekke glassets ender. Vannkondensatorer er ikke mye brukt i industrisamfunnet på grunn av deres store fysiske størrelse for en gitt kapasitans. Vannets ledningsevne kan endre seg veldig raskt og er uforutsigbar hvis det blir åpent for atmosfæren. Mange variabler som temperatur, pH -nivåer og saltholdighet har vist seg å endre konduktivitet i vann. Som et resultat er det bedre alternativer til vannkondensatoren i de fleste applikasjoner.

Pulsmotstandsspenningen til nøye renset vann kan være veldig høy - over 100kV/cm (sammenlignes med omtrent 10 cm for den samme spenningen i tørr luft).

En kondensator er designet for å lagre elektrisk energi når den er koblet fra ladekilden. Sammenlignet med mer konvensjonelle enheter, er vannkondensatorer for øyeblikket ikke praktiske enheter for industrielle applikasjoner. Kapasitansen kan økes ved tilsetning av elektrolytter og mineraler til vannet, men dette øker selvlekkasjen og kan ikke utføres utover metningspunktet.

Farer og fordeler

Moderne høyspenningskondensatorer kan beholde ladningen lenge etter at strømmen er fjernet. Denne ladningen kan forårsake farlige, eller til og med potensielt dødelige, sjokk hvis den lagrede energien er mer enn noen få joule . På mye lavere nivåer kan lagret energi fortsatt forårsake skade på tilkoblet utstyr. Vannkondensatorer, som er selvutladende, (for helt rent vann, bare termisk ionisert, ved 25 ° C (77 ° F) betyr forholdet mellom konduktivitet og permittivitet at selvutladningstiden er rundt 180μs, raskere med høyere temperaturer eller oppløste urenheter) vanligvis kan ikke få lagret nok elektrisk energi til å forårsake alvorlig personskade.

I motsetning til mange store industrielle høyspenningskondensatorer trenger ikke vannkondensatorer olje. Olje som finnes i mange eldre design av kondensatorer kan være giftig for både dyr og mennesker. Hvis en kondensator bryter opp og oljen frigjøres, finner oljen ofte veien inn i vannspeilet , noe som kan forårsake helseproblemer over tid.

Historie

Kondensatorer kan opprinnelig spores tilbake til en enhet som kalles en Leyden -krukke , laget av den nederlandske fysikeren Pieter van Musschenbroek . Leyden -glasset besto av en glassburk med tinnfolielag på innsiden og utsiden av krukken. En stangelektrode var direkte forbundet med folielaget ved hjelp av en liten kjede eller ledning. Denne enheten lagret statisk elektrisitet som ble opprettet når rav og ull ble gnidd sammen.

Selv om design og materialer som brukes i kondensatorer har endret seg sterkt gjennom historien, forblir de grunnleggende grunnleggende de samme. Generelt er kondensatorer veldig enkle elektriske enheter som kan ha mange bruksområder i dagens teknologisk avanserte verden. En moderne kondensator består vanligvis av to ledende plater klemt rundt en isolator. Elektrisk forsker Nicola Tesla beskrev kondensatorer som den "elektriske ekvivalenten til dynamitt".

Merknader

Referanser