Vattenkondensator

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

En vattenkondensator är en enhet som använder vatten som sitt dielektriska isoleringsmedium.

Operationsteori

En kondensator är en anordning i vilken elektrisk energi införs och kan lagras för en senare tid. En kondensator består av två ledare separerade av ett icke-ledande område. Det icke-ledande området kallas den dielektriska eller elektriska isolatorn. Exempel på traditionella dielektriska medier är luft, papper och vissa halvledare. En kondensator är ett fristående system som är isolerat utan elektrisk 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 egenskapen att vara självläkande; om det blir ett elektriskt haveri genom vattnet återgår det snabbt till sitt ursprungliga och oskadade tillstånd. Andra flytande isolatorer är benägna att förkolnas efter nedbrytning och tenderar att förlora sin hållfasthet med tiden.

Nackdelen med att använda vatten är den korta tid det kan hålla borta spänningen, vanligtvis inom området mikrosekunder till tio mikrosekunder (μs). Avjoniserat vatten är relativt billigt och miljösäkert. Dessa egenskaper, tillsammans med den höga dielektricitetskonstanten , gör vatten till ett utmärkt val för att bygga stora kondensatorer. Om man kan hitta ett sätt att på ett tillförlitligt sätt öka avhållningstiden för en given fältstyrka, kommer det att finnas fler applikationer för vattenkondensatorer.

Vatten har visat sig inte vara ett särskilt tillförlitligt ämne för att lagra elektrisk laddning på lång sikt, så mer pålitliga material används för kondensatorer i industriella tillämpningar. Vatten har dock fördelen av att vara självläkande efter ett haveri, och om vattnet stadigt cirkuleras genom ett avjoniserande harts och filter, kan förlustmotståndet och det dielektriska beteendet stabiliseras. Sålunda, i vissa ovanliga situationer, såsom generering av extremt hög spänning men mycket korta pulser, kan en vattenkondensator vara en praktisk lösning – som 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 laddningsflödet. 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. Självjonisering av vatten är en process där en liten del av vattenmolekylerna dissocierar till positiva och negativa joner. Det är denna process som ger rent flytande vatten dess inneboende elektriska ledningsförmåga.

På grund av självjonisering har rent flytande vatten vid omgivningstemperaturer en liknande inneboende laddningsbärarkoncentration som halvledaren germanium och en inneboende laddningsbärarkoncentration som är tre storleksordningar större än halvledarkiseln, och därför kan vatten, baserat på laddningsbärarkoncentrationen, inte anses vara ett rent dielektriskt material eller fullständig elektrisk isolator men vara en begränsad laddningsledare.

Experimentell

Urladdningen av en platinakondensator med parallella plattor placerad i ett kärl fyllt med ultrarent vatten har mätts. Den observerade urladdningstrenden kunde endast beskrivas med 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 kondensatorer med parallella plattor med endast omgivande luft mellan plattorna uppförde sig enligt standardteori. När väl samma kondensator var delvis nedsänkt i avjoniserat vatten (DI), eller DI med låga upplösta NaCl-koncentrationer, fortfarande med endast omgivande luft mellan elektroderna, ökade kapacitansen, energitätheten och effekttätheten, vid låg frekvens, med mer än sju storleksordningar. I synnerhet utesluter konventionell teori 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 jondubbelskikt med ett kraftigt stigande elektriskt fält och ett maximalt pH på cirka 12. Vid katoden inträffade det motsatta och pH når ett minimum av cirka 1,7. Rent vatten i ett statiskt elektriskt fält är alltså inte ett homogent ämne utan kan anses ha tre zoner:

(i) en zon som innehåller överskott av positivt laddade vattenhaltiga vätejoner genom vilken den elektriska fältstyrkan ändras

(ii) en mellanzon som innehåller rent vatten där det inte finns något betydande elektriskt fält

(iii) en zon som innehåller överskott av negativt laddade vattenhaltiga hydroxidjoner genom vilken den elektriska fältstyrkan ändras.


Det finns en åsikt att ett Helmholtz-dubbelskikt inte är ansvarigt för de observerade elektrokinetiska fenomenen, och att de klassiska formlerna inte är strikt tillämpliga när det finns obalanserade upplösta laddningar vid gränssnitt.

Övergången från ledande till dielektrisk avskärmning av elektriska fält med ett rör av rent vatten har undersökts med hjälp av en parallellplattkondensator som användes för att generera ett enhetligt elektriskt fält. Två koncentriska akrylplexiglasrör passerade vinkelrätt genom det elektriska fältet som alstrades 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 sin plats. Sensorn konstruerades så att den kunde roteras för att mäta potentialen vid ett andra symmetriskt läge. Från skillnaden i de två potentialerna kunde frekvensberoendet för det elektriska fältets storlek och fas bestämmas. Med avjoniserat vatten mellan rören mättes storleken och fasen av det inre elektriska fältet från 100 Hz till 300 kHz. Det förväntade högpassfiltrets frekvenssvar för ett dielektriskt rör med icke försumbar konduktivitet observerades. Passningar till data gav ett mycket rimligt experimentellt värde för förhållandet mellan vattnets konduktivitet och dess dielektriska konstant. Modellen förutspådde också att vid noll frekvens (ett statiskt elektriskt fält) skulle rent vatten förväntas bete sig som en Faraday-bur .

Ansökningar

En enkel typ av vattenkondensator skapas genom att använda vattenfyllda glasburkar och någon form av isoleringsmaterial 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 ledningsförmåga kan förändras mycket snabbt och är oförutsägbar om den lämnas öppen mot atmosfären. Många variabler som temperatur, pH -nivåer och salthalt har visat sig förändra ledningsförmågan i vatten. Som ett resultat finns det bättre alternativ till vattenkondensatorn i de flesta applikationer.

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

En kondensator är utformad för att lagra elektrisk energi när den är frånkopplad från sin laddningskälla. Jämfört med mer konventionella enheter är vattenkondensatorer för närvarande inte praktiska enheter för industriella tillämpningar. Kapacitansen kan ökas genom tillsats av elektrolyter och mineraler till vattnet, men detta ökar självläckaget och kan inte göras bortom dess mättnadspunkt.

Faror och fördelar

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

Till skillnad från många stora industriella högspänningskondensatorer kräver vattenkondensatorer inte olja. Olja som finns i många äldre konstruktioner av kondensatorer kan vara giftig för både djur och människor. Om en kondensator går sönder och dess olja släpps, hittar oljan ofta in i grundvattenytan, vilket kan orsaka hälsoproblem med tiden.

Historia

Kondensatorer kan ursprungligen spåras tillbaka till en enhet som kallas en Leyden-burk , skapad av den holländska fysikern Pieter van Musschenbroek . Leydenburken bestod av en glasburk med stanniolskikt på insidan och utsidan av burken. En stavelektrod var direkt ansluten till inlägget av folie med hjälp av en liten kedja eller tråd. Den här enheten lagrade statisk elektricitet som skapades när bärnsten och ull gnuggades ihop.

Även om designen och materialen som används i kondensatorer har förändrats mycket genom historien, förblir grunderna desamma. Generellt sett är kondensatorer mycket enkla elektriska enheter 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 "den elektriska motsvarigheten till dynamit".

Anteckningar

Hämtad från " https://sv.wikipedia.org/w/index.php?title=Water_capacitor&oldid=1136381853 "