Condensator de apă - Water capacitor

Reprezentarea grafică a unui generator Marx cuplat inductiv , bazat pe condensatori de apă. Albastrul este apa dintre plăci, iar bilele din coloana centrală sunt lacunele care se sparg pentru a permite condensatorilor să se încarce în paralel și să se descarce rapid în serie.

Un condensator de apă este un dispozitiv care folosește apa ca mediu izolator dielectric .

Teoria funcționării

Un condensator este un dispozitiv în care este introdusă energia electrică și poate fi stocată pentru o perioadă ulterioară. Un condensator este format din doi conductori separați de o regiune neconductivă. Regiunea neconductivă se numește izolator dielectric sau electric. Exemple de medii dielectrice tradiționale sunt aerul, hârtia și anumiți semiconductori. Un condensator este un sistem autonom, este izolat fără sarcină electrică netă. Conductorii trebuie să dețină sarcini egale și opuse pe suprafețele lor orientate.

Apa ca dielectric

Condensatoarele convenționale folosesc materiale ca sticla sau ceramica ca mediu izolator pentru a stoca o încărcare electrică . Condensatoarele de apă au fost create în principal ca element de noutate sau pentru experimentarea în laborator și pot fi realizate cu materiale simple. Apa prezintă calitatea de a se auto-vindeca; dacă există o defecțiune electrică prin apă, aceasta revine rapid la starea inițială și nedeteriorată. Alți izolatori lichizi sunt predispuși la carbonizare după defecțiune și tind să-și piardă forța de reținere în timp.

Dezavantajul utilizării apei este scurta perioadă de timp pe care o poate menține în tensiune, de obicei în intervalul microsecunde până la zece microsecunde (μs). Apa deionizată este relativ ieftină și este sigură pentru mediu. Aceste caracteristici, alături de constanta dielectrică ridicată , fac din apă o alegere excelentă pentru construirea condensatoarelor mari. Dacă se poate găsi o modalitate de a crește în mod fiabil timpul de oprire pentru o anumită intensitate a câmpului, atunci vor exista mai multe aplicații pentru condensatoarele de apă.

S-a dovedit că apa nu este o substanță foarte fiabilă pentru a stoca încărcătura electrică pe termen lung, astfel încât sunt utilizate materiale mai fiabile pentru condensatori în aplicații industriale. Cu toate acestea, apa are avantajul de a se auto-vindeca după o defecțiune și, dacă apa circulă constant printr-o rășină și ionizare de-ionizante, atunci rezistența la pierderi și comportamentul dielectric pot fi stabilizate. Astfel, în anumite situații neobișnuite, cum ar fi generarea de impulsuri extrem de ridicate, dar impulsuri foarte scurte, un condensator de apă poate fi o soluție practică - cum ar fi într-un pulsator experimental Xray.

Un material dielectric este definit ca un material care este un izolator electric. Un izolator electric este un material care nu permite fluxul de sarcină. Încărcarea poate curge ca electroni sau ca specii chimice ionice. Prin această definiție, apa lichidă nu este un izolator electric și, prin urmare, apa lichidă nu este un dielectric. Auto-ionizare a apei este un proces în care o mică parte de molecule de apă disociază în ioni pozitivi și negativi. Acest proces conferă apei lichide pure conductivitatea electrică inerentă.

Datorită auto-ionizării, la temperaturi ambientale apa lichidă pură are o concentrație similară a purtătorului de sarcină intrinsecă cu germaniul semiconductor și o concentrație a purtătorului de sarcină intrinsecă cu trei ordine de mărime mai mare decât siliciul semiconductor, prin urmare, pe baza concentrației purtătorului de sarcină, apa nu poate să fie considerat a fi un material pur dielectric sau un izolator electric complet, dar a fi un conductor de încărcare limitat.

Experimental

S-a măsurat descărcarea unui condensator cu placă paralelă de platină plasat într-un vas umplut cu apă ultrapură. Tendința de descărcare observată ar putea fi descrisă printr-o ecuație Poisson-Boltzmann modificată numai atunci când tensiunea a fost foarte mică. iar capacitatea sistemului a arătat o dependență de distanța dintre cele două plăci de platină. Permitivitatea apei, calculată considerând sistemul ca un condensator plan, părea a fi foarte mare. Acest comportament poate fi explicat prin teoria materialelor super dielectrice. Teoria materialelor super dielectrice și testele simple au demonstrat că materialul din exteriorul unui condensator cu placă paralelă mărește dramatic capacitatea, densitatea energiei și densitatea puterii. Condensatoarele simple de plăci paralele cu numai aer ambiant între plăci s-au comportat conform teoriei standard. Odată ce același condensator a fost parțial scufundat în apă deionizată (DI), sau DI cu concentrații scăzute de NaCI dizolvate, încă cu doar aerul ambiant între electrozi, capacitatea, densitatea energiei și densitatea puterii, la frecvență scăzută, au crescut cu mai mult de șapte ordine de mărime. În special, teoria convențională exclude posibilitatea ca materialul din afara volumului dintre plăci să aibă în orice mod un impact asupra comportamentului capacitiv.

S-a făcut o examinare a efectului aplicării tensiunilor de la 0,1 la 0,82V pe apa pură între electrozii metalici. A fost urmată mișcarea ionilor de hidroniu și a ionilor de hidroxid către anod. Această mișcare a dus la formarea unui strat dublu de ioni cu un câmp electric în creștere accentuată și un pH maxim de aproximativ 12. La catod, s-a produs opusul și pH-ul atinge un minim de aproximativ 1,7.

Trecerea de la ecranarea conductivă la dielectrică a câmpurilor electrice de către un tub de apă pură a fost investigată folosind un condensator cu placă paralelă care a fost utilizat pentru a genera un câmp electric uniform. Două tuburi concentrice de plexiglas acrilic au trecut perpendicular pe câmpul electric generat între plăci. Regiunea dintre tuburi a fost umplută cu aer sau apă. Un electrod, suspendat în interiorul tubului interior de plexiglas, a fost folosit pentru a detecta potențialul electric la locația sa. Senzorul a fost proiectat astfel încât să poată fi rotit pentru a măsura potențialul la o a doua poziție simetrică. Din diferența dintre cele două potențiale, s-ar putea determina dependența de frecvență a amplorii și fazei câmpului electric. Cu apă deionizată între tuburi, magnitudinea și faza câmpului electric interior au fost măsurate de la 100 Hz la 300 kHz. S-a observat răspunsul de frecvență al filtrului trece-sus așteptat pentru un tub dielectric cu conductivitate deloc neglijabilă. Potrivirea datelor a dat o valoare experimentală foarte rezonabilă pentru raportul dintre conductivitatea apei și constanta sa dielectrică. Modelul a mai prezis că la o frecvență zero (un câmp electric static) apa pură ar fi de așteptat să se comporte ca o cușcă Faraday .

Aplicații

Un tip simplu de condensator de apă este creat prin utilizarea borcanelor de sticlă umplute cu apă și a unei forme de material izolant pentru a acoperi capetele borcanului. Condensatoarele de apă nu sunt utilizate pe scară largă în comunitatea industrială datorită dimensiunii lor fizice mari pentru o capacitate dată. Conductivitatea apei se poate schimba foarte repede și este imprevizibilă dacă este lăsată deschisă atmosferei. S-a demonstrat că multe variabile precum temperatura, nivelurile de pH și salinitatea modifică conductivitatea în apă. Ca rezultat, există alternative mai bune la condensatorul de apă în majoritatea aplicațiilor.

Tensiunea de rezistență la impulsuri a apei atent purificate poate fi foarte mare - peste 100kV / cm (comparativ cu aproximativ 10 cm pentru aceeași tensiune în aer uscat).

Un condensator este proiectat pentru a stoca energia electrică atunci când este deconectat de la sursa sa de încărcare. În comparație cu dispozitivele mai convenționale, condensatoarele de apă nu sunt în prezent dispozitive practice pentru aplicații industriale. Capacitatea poate fi crescută prin adăugarea de electroliți și minerale în apă, dar acest lucru mărește auto-scurgerea și nu poate fi făcut dincolo de punctul său de saturație.

Pericole și beneficii

Condensatoarele moderne de înaltă tensiune își pot păstra încărcarea mult timp după ce alimentarea este scoasă. Această încărcare poate provoca șocuri periculoase sau chiar potențial fatale dacă energia stocată depășește câțiva jouli . La niveluri mult mai scăzute, energia stocată poate provoca în continuare deteriorarea echipamentelor conectate. Condensatoarele de apă, fiind auto-descărcate, (pentru apă complet pură, numai ionizată termic, la 25 ° C (77 ° F) raportul dintre conductivitate și permitivitate înseamnă că timpul de auto descărcare este de aproximativ 180μs, mai rapid cu temperaturi mai ridicate sau impurități dizolvate) nu poate fi făcut să stocheze suficientă energie electrică reziduală pentru a provoca vătămări corporale grave.

Spre deosebire de mulți condensatori industriali de înaltă tensiune, condensatorii de apă nu necesită ulei. Uleiul găsit în multe modele mai vechi de condensatoare poate fi toxic atât pentru animale, cât și pentru oameni. Dacă un condensator se deschide și uleiul său este eliberat, uleiul își găsește adesea drumul în pânza freatică , ceea ce poate provoca probleme de sănătate în timp.

Istorie

Condensatoarele pot fi inițial urmărite până la un dispozitiv numit borcan Leyden , creat de fizicianul olandez Pieter van Musschenbroek . Borcanul Leyden a constat dintr-un borcan de sticlă cu straturi de folie de tablă pe interiorul și exteriorul borcanului. Un electrod cu tijă a fost conectat direct la stratul de folie prin intermediul unui lanț sau sârmă mică. Acest dispozitiv stoca electricitatea statică creată atunci când chihlimbarul și lâna erau frecate împreună.

Deși designul și materialele utilizate în condensatoare s-au schimbat foarte mult de-a lungul istoriei, fundamentele de bază rămân aceleași. În general, condensatorii sunt dispozitive electrice foarte simple, care pot avea multe utilizări în lumea tehnologică de astăzi. Un condensator modern constă, de obicei, din două plăci conductoare împinse în jurul unui izolator. Cercetătorul în domeniul electricității Nicola Tesla a descris condensatorii drept „echivalentul electric al dinamitei”.

Note

Referințe