Vattenkondensator - Water capacitor

Grafisk representation av en induktivt kopplad Marx -generator , baserad på vattenkondensatorer. Det blå är vattnet mellan plattorna, och bollarna i den centrala kolonnen är gnistgapen som bryter över för att tillåta kondensatorerna att laddas parallellt och urladdas snabbt i serie.

En vattenkondensator är en enhet som använder vatten som sitt dielektriska isolerande medium.

Teori om drift

En kondensator är en enhet i vilken elektrisk energi införs och kan lagras för en senare tid. En kondensator består av två ledare åtskilda av ett icke-ledande område. Den icke-ledande regionen kallas dielektrisk eller elektrisk isolator. Exempel på traditionella dielektriska medier är luft, papper och vissa halvledare. En kondensator är ett fristående system, är isolerat utan nettoladdning. Ledarna måste hålla lika och motsatta laddningar på sina motstående ytor.

Vatten som dielektrikum

Konventionella kondensatorer använder material som glas eller keramik som isoleringsmedium för att lagra en elektrisk laddning . Vattenkondensatorer skapades huvudsakligen som en nyhet eller för laboratorieexperiment och kan tillverkas med enkla material. Vatten uppvisar kvaliteten på att vara självläkande; om det uppstår en elektrisk störning genom vattnet återgår det snabbt till sitt ursprungliga och oskadade tillstånd. Andra flytande isolatorer är benägna att kolsyra efter nedbrytning och tenderar att tappa hållfastheten med tiden.

Nackdelen med att använda vatten är den korta tid det kan hålla av spänningen, vanligtvis i intervallet mikrosekund till tio mikrosekunder (μs). Avjoniserat vatten är relativt billigt och miljövänligt. Dessa egenskaper, tillsammans med den höga dielektriska konstanten , gör vatten till ett utmärkt val för att bygga stora kondensatorer. Om det finns ett sätt att på ett tillförlitligt sätt öka avstängningstiden för en given fältstyrka kommer det att finnas fler applikationer för vattenkondensatorer.

Vatten har visat sig inte vara ett mycket tillförlitligt ämne för att lagra elektrisk laddning på lång sikt, så mer tillförlitliga material används för kondensatorer i industriella applikationer. Vatten har dock fördelen att det är självläkande efter en nedbrytning, och om vattnet cirkulerar stadigt genom ett avjoniserande harts och filter kan förlustmotståndet och dielektriskt beteende stabiliseras. I vissa ovanliga situationer, till exempel generering av extremt högspänning men mycket korta pulser, kan en vattenkondensator vara en praktisk lösning - till exempel i en experimentell röntgenpulser.

Ett dielektriskt material definieras som ett material som är en elektrisk isolator. En elektrisk isolator är ett material som inte tillåter laddningsflöde. Laddning kan flöda som elektroner eller joniska kemiska arter. Enligt denna definition är flytande vatten inte en elektrisk isolator och därför är flytande vatten inte ett dielektrikum. Den vattnets autoprotolys är en process i vilken en liten del av vattenmolekyler dissocierar till positiva och negativa joner. Det är denna process som ger rent flytande vatten dess inneboende elektriska konduktivitet.

På grund av självjonisering har rent flytande vatten vid omgivningstemperaturer en liknande inneboende laddningsbärarkoncentration som halvledargermanium och en inneboende laddningsbärarkoncentration tre storleksordningar större än halvledarkislet, därför kan vatten inte baseras på laddningsbärarkoncentrationen betraktas som ett rent dielektriskt material eller full elektrisk isolator men som en begränsad laddare.

Experimentell

Urladdningen av en platina parallellplattakondensator placerad i ett kärl fyllt med ultrarent vatten har mätts. Den observerade urladdningstrenden kunde endast beskrivas av en modifierad Poisson-Boltzmann-ekvation när spänningen var mycket låg. och systemkapacitansen visade ett beroende av avståndet mellan de två platinaplattorna. Vattnets permittivitet, beräknad med tanke på systemet som en plan kondensator, verkade vara mycket hög. Detta beteende kan förklaras av teorin om superdielektriska material. Teorin om superdielektriska material och enkla tester visade att material på utsidan av en parallellplattkondensator dramatiskt ökar kapacitans, energitäthet och effekttäthet. Enkla parallella plattkondensatorer med endast omgivande luft mellan plattorna uppförde sig enligt standardteori. När samma kondensator var delvis nedsänkt i avjoniserat vatten (DI), eller DI med låga lösta NaCl -koncentrationer, fortfarande med endast omgivande luft mellan elektroderna, ökade kapacitansen, energitätheten och effekttätheten vid låg frekvens med mer än sju storleksordningar. Konventionell teori utesluter särskilt möjligheten att material utanför volymen mellan plattorna på något sätt kommer att påverka kapacitivt beteende.

En undersökning gjordes av effekten av att applicera spänningar från 0,1 till 0,82V på rent vatten mellan metallelektroder. Förflyttningen av hydroniumjoner bort från och hydroxidjoner mot anoden följdes. Denna rörelse resulterade i bildandet av ett jon-dubbelskikt med ett kraftigt stigande elektriskt fält och ett maximalt pH på cirka 12. Vid katoden inträffade det motsatta och pH-värdet når ett minimum av cirka 1,7.

Övergången från ledande till dielektrisk screening av elektriska fält med ett rör med rent vatten har undersökts med hjälp av en parallellplattkondensator som användes för att generera ett enhetligt elektriskt fält. Två koncentriska plexiglasrör av akryl passerade vinkelrätt genom det elektriska fältet som genereras mellan plattorna. Området mellan rören fylldes med luft eller vatten. En elektrod, upphängd i det inre plexiglasröret, användes för att känna av den elektriska potentialen vid dess plats. Sensorn var utformad så att den kunde roteras för att mäta potentialen vid en andra symmetrisk position. Från skillnaden i de två potentialerna kunde frekvensberoendet för storleken och fasen för det elektriska fältet bestämmas. Med avjoniserat vatten mellan rören mättes storleken och fasen för det inre elektriska fältet från 100 Hz till 300 kHz. Högpassfilterfrekvenssvaret förväntat för ett dielektriskt rör med icke försumbar konduktivitet observerades. Anpassningar till data gav ett mycket rimligt experimentvärde för förhållandet mellan vattnets konduktivitet och dess dielektriska konstant. Modellen förutspådde också att rent nollfrekvens (ett statiskt elektriskt fält) förväntas uppträda som en Faraday -bur .

Ansökningar

En enkel typ av vattenkondensator skapas genom att använda vattenfyllda glasburkar och någon form av isolerande material för att täcka burkens ändar. Vattenkondensatorer används inte i stor utsträckning i industrisamhället på grund av deras stora fysiska storlek för en given kapacitans. Vattnets konduktivitet kan förändras mycket snabbt och är oförutsägbar om det lämnas öppet för atmosfären. Många variabler som temperatur, pH -nivåer och salthalt har visat sig förändra konduktiviteten i vatten. Som ett resultat finns det bättre alternativ till vattenkondensatorn i de flesta applikationer.

Pulsspänningen för noggrant renat vatten kan vara mycket hög - över 100kV/cm (jämfört med cirka 10 cm för samma spänning i torr luft).

En kondensator är utformad för att lagra elektrisk energi när den kopplas från laddningskällan. Jämfört med mer konventionella enheter är vattenkondensatorer för närvarande inte praktiska enheter för industriella applikationer. Kapacitansen kan ökas genom tillsats av elektrolyter och mineraler i vattnet, men detta ökar självläckaget och kan inte göras utöver dess mättnadspunkt.

Faror och fördelar

Moderna högspänningskondensatorer kan behålla sin laddning långt efter att strömmen har tagits bort. Denna laddning kan orsaka farliga eller till och med dödliga chocker om den lagrade energin är mer än några joule . På mycket lägre nivåer kan lagrad energi fortfarande orsaka skador på ansluten utrustning. Vattenkondensatorer, som är självurladdande, (för helt rent vatten, endast termiskt joniserat, vid 25 ° C (77 ° F) betyder förhållandet mellan konduktivitet och permittivitet att självurladdningstiden är cirka 180μs, snabbare med högre temperaturer eller upplösta föroreningar) kan inte lagras tillräckligt med kvarvarande elektrisk energi för att orsaka allvarliga kroppsskador.

Till skillnad från många stora industriella högspänningskondensatorer behöver vattenkondensatorer inte olja. Olja som finns i många äldre konstruktioner av kondensatorer kan vara giftig för både djur och människor. Om en kondensator bryts upp och oljan släpps ut hittar oljan ofta in i vattennivån , vilket kan orsaka hälsoproblem över tiden.

Historia

Kondensatorer kan ursprungligen spåras tillbaka till en enhet som kallas en Leyden -burk , skapad av den nederländska fysikern Pieter van Musschenbroek . Leyden -burken bestod av en glasburk med tennfolieskikt på insidan och utsidan av burken. En stavelektrod var direkt ansluten till foliens skikt med hjälp av en liten kedja eller tråd. Denna enhet lagrade statisk elektricitet som skapades när gul och ull gnuggades ihop.

Även om design och material som används i kondensatorer har förändrats kraftigt genom historien, förblir de grundläggande grunderna desamma. I allmänhet är kondensatorer mycket enkla elektriska apparater som kan ha många användningsområden i dagens tekniskt avancerade värld. En modern kondensator består vanligtvis av två ledande plattor inklämda runt en isolator. Elforskaren Nicola Tesla beskrev kondensatorer som "elektrisk motsvarighet till dynamit".

Anteckningar

Referenser