Vodní kondenzátor - Water capacitor

Grafické znázornění indukčně vázaného Marxův generátor, založené na vodních kondenzátorech. Modrá je voda mezi deskami a kuličky ve středním sloupci jsou jiskřiště, která se lámou a umožňují kondenzátorům paralelní nabíjení a rychlé vybíjení v sérii.

A vodní kondenzátor je zařízení, které používá vodu dielektrikum izolační médium.

Teorie provozu

A kondenzátor je zařízení, do kterého se zavádí elektrická energie a které lze uložit na později. Kondenzátor se skládá ze dvou vodičů oddělených nevodivou oblastí. Nevodivá oblast se nazývá dielektrický nebo elektrický izolátor. Příklady tradičních dielektrických médií jsou vzduch, papír a některé polovodiče. Kondenzátor je samostatný systém, který je izolován bez elektrického náboje. Vodiče musí na svých čelních površích držet stejné a opačné náboje.[1]

Voda jako dielektrikum

Konvenční kondenzátory jako izolační médium k uskladnění použijte materiály jako sklo nebo keramiku elektrický náboj. Vodní kondenzátory byly vytvořeny hlavně jako novinka nebo pro laboratorní experimenty a lze je vyrobit z jednoduchých materiálů. Voda vykazuje kvalitu samoléčby; pokud existuje elektrické poruchy skrz vodu se rychle vrací do původního a nepoškozeného stavu. Jiné kapalné izolátory jsou náchylné k karbonizace po poruše a mají tendenci časem ztrácet svoji zadržovací sílu.

Nevýhodou použití vody je krátká doba, po kterou dokáže zadržet napětí, obvykle v rozsahu mikrosekund až deseti mikrosekund (μs). Deionizovaná voda je relativně levná a je bezpečná pro životní prostředí. Tyto vlastnosti spolu s vysokou dielektrická konstanta, je voda vynikající volbou pro stavbu velkých kondenzátorů. Pokud lze najít způsob, jak spolehlivě prodloužit dobu zdržení pro danou intenzitu pole, bude zde více aplikací pro vodní kondenzátory.[2]

Ukázalo se, že voda není dlouhodobě velmi spolehlivou látkou pro skladování elektrického náboje, proto se v průmyslových aplikacích pro kondenzátory používají spolehlivější materiály.[3] Voda má však tu výhodu, že se po rozpadu sama hojí, a pokud voda neustále cirkuluje deionizující pryskyřicí a filtry, lze stabilizovat odolnost proti ztrátě a dielektrické chování. V určitých neobvyklých situacích, jako je generování extrémně vysokého napětí, ale velmi krátkých pulzů, může být tedy vodním kondenzátorem praktické řešení - například v experimentálním pulzátoru Xray.[4]

Aplikace

Jednoduchý typ vodního kondenzátoru je vytvořen pomocí skleněných nádob naplněných vodou a nějaké formy izolačního materiálu k zakrytí konců nádoby. Vodní kondenzátory se v průmyslové komunitě příliš nepoužívají kvůli jejich velké fyzické velikosti pro danou kapacitu. Vodivost vody se může velmi rychle měnit a je nepředvídatelná, pokud je ponechána otevřená atmosféře. Mnoho proměnných, jako je teplota, pH úrovně a slanost Bylo prokázáno, že mění vodivost ve vodě. Výsledkem je, že ve většině aplikací existují lepší alternativy k vodnímu kondenzátoru.

Impulzní výdržné napětí pečlivě vyčištěné vody může být velmi vysoké - přes 100 kV / cm (ve srovnání s přibližně 10 cm pro stejné napětí v suchém vzduchu).[5]

Kondenzátor je určen k ukládání elektrické energie, když je odpojen od zdroje nabíjení. Ve srovnání s konvenčními zařízeními nejsou vodní kondenzátory v současné době praktickými zařízeními pro průmyslové aplikace. Kapacitu lze zvýšit přidáním elektrolytů a minerálů do vody, ale to zvyšuje samovolný únik a nelze jej dosáhnout za jeho bod nasycení.[6]

Nebezpečí a výhody

Moderní vysokonapěťové kondenzátory si mohou udržet svůj náboj dlouho po odpojení od napájení. Pokud je akumulované energie více než několik, může tento náboj způsobit nebezpečné nebo dokonce potenciálně smrtelné šoky joulů. Na mnohem nižších úrovních může uložená energie stále způsobit poškození připojeného zařízení. Vodní kondenzátory, které se samy vybíjí (pro zcela čistou vodu, pouze tepelně ionizovanou, při 25 ° C (77 ° F) poměr vodivosti k permitivitě) znamená, že doba samovybíjení je přibližně 180 μs, rychlejší při vyšších teplotách nebo rozpuštěných nečistotách) nelze uložit tak, aby ukládalo dostatek zbytkové elektrické energie, která by mohla způsobit vážná zranění.

Na rozdíl od mnoha velkých průmyslových vysokonapěťových kondenzátorů vodní kondenzátory nevyžadují olej. Olej nacházející se v mnoha starších provedeních kondenzátorů může být toxický jak pro zvířata, tak pro lidi. Pokud se kondenzátor rozlomí a jeho olej se uvolní, olej si často najde cestu do vodní stůl, což může v průběhu času způsobit zdravotní potíže.[7]

Dějiny

Kondenzátory lze původně vysledovat zpět k zařízení zvanému a Leyden jar, vytvořený nizozemským fyzikem Pieter van Musschenbroek.[8] Nádoba Leyden se skládala ze skleněné nádoby s vrstvami alobalu na vnitřní i vnější straně nádoby. Tyčová elektroda byla přímo připojena k vrstvě fólie pomocí malého řetězu nebo drátu. Toto zařízení uchovávalo statickou elektřinu vytvářenou třením jantaru a vlny.[9][1]

Ačkoli se design a materiály použité v kondenzátorech v průběhu historie značně změnily, základní základy zůstávají stejné. Obecně platí, že kondenzátory jsou velmi jednoduchá elektrická zařízení, která mohou mít v dnešním technologicky vyspělém světě mnoho využití. Moderní kondenzátor obvykle sestává ze dvou vodivých desek vložených kolem izolátoru. Elektrický výzkumník Nicola Tesla popsal kondenzátory jako „elektrický ekvivalent dynamitu“.[10]

Poznámky

  1. ^ A b Schulz, Alexander (2011). Kondenzátory: teorie, typy a aplikace (eBook). Ipswich, MA: Vydavatelé Nova Science.
  2. ^ Kristiansen, Magne. "DSWA-TR-97-30" (PDF). Agentura pro obranné speciální zbraně.
  3. ^ Egal, Hammer, Geoff, Spinner. "Kondenzátor na vodu a sklo". Reseah ve využívání volné energie nalezené v přírodě. Geoff Egal. Citováno 26. března 2013.
  4. ^ Horioka, Kazuhiko (březen 2007). „Čerpací systém pro kapilární výbojový laser“ (PDF). Národní institut pro vědu fúze.
  5. ^ Stygar, W. A .; Savage, M. E.; Wagoner, T. C .; Bennett, L. F .; Corley, J. P .; Donovan, G. L .; Fehl, D. L .; Ives, H. C .; Lechien, K. R .; Leifeste, G. T .; Long, F. W .; McKee, R. G .; Mills, J. A .; Moore, J. K .; Ramirez, J. J .; Stoltzfus, B. S .; Struve, K. W .; Woodworth, J. R. (2009). „Dielektrické průrazové zkoušky vody při 6 MV“. Speciální témata pro fyzickou kontrolu - Akcelerátory a paprsky. Sandia Labs. 12. doi:10.1103 / PhysRevSTAB.12.010402.
  6. ^ Dorf, Richard C .; Svoboda, James A. (2001). Úvod do elektrických obvodů (5. vydání). New York: John Wiley & Sons. ISBN  978-0-471-38689-6.
  7. ^ Moller, Peter; Kramer, Bernd (prosinec 1991), „Recenze: Elektrické ryby“, BioScience, Americký institut biologických věd, 41 (11): 794–6 [794], doi:10.2307/1311732, JSTOR  1311732
  8. ^ Bolund, Björn F; Berglund, M; Bernhoff, H. (březen 2003). „Dielektrická studie směsí vody a methanolu pro použití ve vodních kondenzátorech s pulzním výkonem“. Journal of Applied Physics. 93 (5): 2895–2899. doi:10.1063/1.1544644.
  9. ^ Korotkov, S; Aristov, Y; Kozlov, A; Korotkov, D; Rol'nik, I (březen 2011). "Generátor elektrických výbojů ve vodě". Nástroje a experimentální techniky. 54 (2): 190–193. doi:10.1134 / s0020441211010246. S2CID  110287581.
  10. ^ Shectman, Jonathan (2003), Průkopnické vědecké experimenty, vynálezy a objevy 18. století, Greenwood Press, str. 87–91, ISBN  0-313-32015-2Sewell, Tyson (1902), Prvky elektrotechnikyLockwood, str. 18

Reference