Su kondansatörü - Water capacitor

Su kapasitörlerine dayalı endüktif olarak eşleştirilmiş bir Marx jeneratörünün grafiksel gösterimi . Mavi, plakalar arasındaki sudur ve orta sütundaki toplar, kapasitörlerin paralel olarak şarj olmasına ve seri olarak hızla boşalmasına izin vermek için kırılan kıvılcım boşluklarıdır.

Bir su kondansatörü , dielektrik yalıtım ortamı olarak su kullanan bir cihazdır .

Operasyon teorisi

Bir kondansatör elektrik enerjisi verilmekte ve daha sonra saklanabilir olan bir cihazdır. Bir kondansatör, iletken olmayan bir bölge ile ayrılmış iki iletkenden oluşur. İletken olmayan bölgeye dielektrik veya elektrik yalıtkanı denir. Geleneksel dielektrik ortam örnekleri hava, kağıt ve belirli yarı iletkenlerdir. Kondansatör, net elektrik yükü olmadan izole edilmiş bağımsız bir sistemdir. İletkenler, bakan yüzeylerinde eşit ve zıt yükler tutmalıdır.

Bir dielektrik olarak su

Geleneksel kapasitörler, bir elektrik yükünü depolamak için yalıtım ortamı olarak cam veya seramik gibi malzemeleri kullanır . Su kapasitörleri, esas olarak bir yenilik öğesi olarak veya laboratuvar deneyleri için oluşturulmuştur ve basit malzemelerle yapılabilir. Su, kendi kendini iyileştirebilme özelliği sergiler; su üzerinden elektriksel bir arıza olursa hızlı bir şekilde orijinal ve hasarsız durumuna geri döner. Diğer sıvı yalıtkanlar, bozulmadan sonra karbonlaşmaya eğilimlidir ve zamanla dayanma güçlerini kaybetme eğilimindedir.

Su kullanmanın dezavantajı, tipik olarak mikrosaniye ila on mikrosaniye (μs) aralığında voltajı uzak tutabileceği kısa süredir. Deiyonize su nispeten ucuzdur ve çevre açısından güvenlidir. Bu özellikler, yüksek dielektrik sabiti ile birlikte, suyu büyük kapasitörler oluşturmak için mükemmel bir seçim haline getirir. Belirli bir alan kuvveti için bekleme süresini güvenilir bir şekilde artırmanın bir yolu bulunursa, su kapasitörleri için daha fazla uygulama olacaktır.

Suyun elektrik yükünü uzun süreli depolamak için çok güvenilir bir madde olmadığı gösterilmiştir, bu nedenle endüstriyel uygulamalarda kapasitörler için daha güvenilir malzemeler kullanılmaktadır. Bununla birlikte, su, bir bozulmadan sonra kendi kendini iyileştirme avantajına sahiptir ve su, deiyonize edici bir reçine ve filtrelerden düzenli olarak dolaştırılırsa, kayıp direnci ve dielektrik davranışı stabilize edilebilir. Bu nedenle, aşırı yüksek voltaj ancak çok kısa darbelerin üretilmesi gibi bazı olağandışı durumlarda, bir su kondansatörü pratik bir çözüm olabilir - örneğin deneysel bir Xray darbe cihazında olduğu gibi.

Dielektrik malzeme, elektrik yalıtkanı olan bir malzeme olarak tanımlanır. Elektrik yalıtkanı, yük akışına izin vermeyen bir malzemedir. Yük, elektronlar veya iyonik kimyasal türler olarak akabilir. Bu tanıma göre sıvı su bir elektrik yalıtkanı değildir ve dolayısıyla sıvı su bir dielektrik değildir. Suyun kendi kendine iyonlaşması, su moleküllerinin küçük bir kısmının pozitif ve negatif iyonlara ayrıştığı bir süreçtir. Saf sıvı suya doğal elektriksel iletkenliğini veren bu işlemdir.

Kendiliğinden iyonlaşma nedeniyle, ortam sıcaklıklarında saf sıvı su, yarı iletken germanyuma benzer bir içsel yük taşıyıcı konsantrasyonuna ve yarı iletken silikondan üç kat daha büyük bir içsel yük taşıyıcı konsantrasyonuna sahiptir, bu nedenle, yük taşıyıcı konsantrasyonuna dayalı olarak su, tamamen dielektrik malzeme veya tam elektrik yalıtkanı olarak kabul edilir, ancak sınırlı bir yük iletkeni olarak kabul edilir.

Deneysel

Ultra saf su ile dolu bir kaba yerleştirilmiş platin paralel plakalı bir kapasitörün deşarjı ölçülmüştür. Gözlenen deşarj eğilimi, yalnızca voltaj çok düşük olduğunda Modifiye Poisson-Boltzmann Denklemi ile tanımlanabilir. ve sistem kapasitansı, iki platin plaka arasındaki boşluğa bir bağımlılık gösterdi. Sistem bir düzlem kondansatör olarak düşünülerek hesaplanan suyun geçirgenliği çok yüksek görünüyordu. Bu davranış, süper dielektrik malzemeler teorisi ile açıklanabilir. Süper dielektrik malzemeler teorisi ve basit testler, paralel plakalı bir kondansatörün dışındaki malzemenin kapasitansı, enerji yoğunluğunu ve güç yoğunluğunu önemli ölçüde arttırdığını gösterdi. Plakalar arasında yalnızca ortam havası bulunan basit paralel plakalı kapasitörler, standart teoriye göre davrandı. Aynı kapasitör kısmen deiyonize suya (DI) veya düşük çözünmüş NaCl konsantrasyonlu DI, elektrotlar arasında hala yalnızca ortam havası ile daldırıldığında, düşük frekansta kapasitans, enerji yoğunluğu ve güç yoğunluğu yediden fazla arttı büyüklük sıraları. Özellikle, geleneksel teori, plakalar arasındaki hacmin dışındaki malzemenin herhangi bir şekilde kapasitif davranışı etkileme olasılığını dışlar.

Metal elektrotlar arasında 0,1 ila 0,82V arasındaki voltajların saf su üzerindeki etkisine ilişkin bir inceleme yapılmıştır. Hidronyum iyonlarının anottan uzaklaşması ve hidroksit iyonlarının anottan hareketi takip edildi. Bu hareket, dik bir şekilde yükselen elektrik alanı ve maksimum pH'ı yaklaşık 12 olan bir iyon çift tabakasının oluşumuyla sonuçlandı. Katotta bunun tersi meydana geldi ve pH, minimum yaklaşık 1,7'ye ulaştı.

Bir saf su tüpü ile elektrik alanlarının iletkenden dielektrik taramasına geçişi, düzgün bir elektrik alanı oluşturmak için kullanılan paralel plakalı bir kondansatör kullanılarak incelenmiştir. İki eş merkezli akrilik pleksiglas tüp, plakalar arasında oluşturulan elektrik alanından dikey olarak geçti. Tüpler arasındaki bölge hava veya su ile doldurulmuştur. Yerindeki elektrik potansiyelini algılamak için iç pleksiglas tüp içinde asılı duran bir elektrot kullanıldı. Sensör, ikinci bir simetrik konumdaki potansiyeli ölçmek için döndürülebilecek şekilde tasarlanmıştır. İki potansiyel arasındaki farktan, elektrik alanının büyüklüğünün ve fazının frekans bağımlılığı belirlenebilir. Tüpler arasında deiyonize su ile, iç elektrik alanının büyüklüğü ve fazı 100 Hz'den 300 kHz'e kadar ölçülmüştür. İhmal edilemez iletkenliğe sahip bir dielektrik tüp için beklenen yüksek geçişli filtre frekans yanıtı gözlemlendi. Verilere uygunluk, suyun iletkenliğinin dielektrik sabitine oranı için çok makul bir deneysel değer verdi. Model ayrıca sıfır frekansta (statik bir elektrik alanı) saf suyun bir Faraday kafesi gibi davranmasının bekleneceğini öngördü .

Uygulamalar

Su dolu cam kavanozlar ve kavanozun uçlarını kapatmak için bir çeşit yalıtım malzemesi kullanılarak basit bir su kondansatörü türü oluşturulur. Su kapasitörleri, belirli bir kapasitans için büyük fiziksel boyutları nedeniyle endüstriyel toplulukta yaygın olarak kullanılmamaktadır. Suyun iletkenliği çok hızlı değişebilir ve atmosfere açık bırakılırsa tahmin edilemez. Sıcaklık, pH seviyeleri ve tuzluluk gibi birçok değişkenin sudaki iletkenliği değiştirdiği gösterilmiştir. Sonuç olarak, uygulamaların çoğunda su kapasitörüne daha iyi alternatifler vardır.

Dikkatle arıtılmış suyun darbe dayanım voltajı çok yüksek olabilir – 100kV/cm'nin üzerinde (kuru havada aynı voltaj için yaklaşık 10 cm ile karşılaştırıldığında).

Bir kapasitör, şarj kaynağından ayrıldığında elektrik enerjisini depolamak için tasarlanmıştır. Daha geleneksel cihazlarla karşılaştırıldığında, su kapasitörleri şu anda endüstriyel uygulamalar için pratik cihazlar değildir. Suya elektrolit ve minerallerin eklenmesiyle kapasitans arttırılabilir, ancak bu kendi kendine sızıntıyı arttırır ve doyma noktasının ötesinde yapılamaz.

Tehlikeler ve faydalar

Modern yüksek voltajlı kapasitörler, güç kesildikten sonra şarjlarını uzun süre koruyabilir. Depolanan enerji birkaç joule'den fazlaysa, bu yük tehlikeli ve hatta potansiyel olarak ölümcül şoklara neden olabilir . Çok daha düşük seviyelerde, depolanan enerji hala bağlı ekipmana zarar verebilir. Kendi kendine deşarj olan su kapasitörleri (tamamen saf su için, sadece termal olarak iyonize edilmiş, 25 °C'de (77 °F) iletkenliğin geçirgenliğe oranı, kendi kendine deşarj süresinin yaklaşık 180μs olduğu, daha yüksek sıcaklıklar veya çözünmüş kirliliklerle daha hızlı olduğu anlamına gelir) genellikle ciddi bedensel yaralanmalara neden olmak için yeterli artık elektrik enerjisini depolamak için yapılamaz.

Birçok büyük endüstriyel yüksek voltajlı kapasitörden farklı olarak, su kapasitörleri yağ gerektirmez. Birçok eski kapasitör tasarımında bulunan yağ, hem hayvanlar hem de insanlar için toksik olabilir. Bir kapasitör kırılır ve yağı serbest kalırsa, yağ genellikle su tablasına girer ve bu da zamanla sağlık sorunlarına neden olabilir.

Tarih

Kapasitörler ilk olarak Hollandalı fizikçi Pieter van Musschenbroek tarafından yaratılan Leyden kavanozu adı verilen bir cihaza kadar izlenebilir . Leyden kavanozu, kavanozun içinde ve dışında kalay folyo katmanları olan bir cam kavanozdan oluşuyordu. Bir çubuk elektrot, küçük bir zincir veya tel vasıtasıyla doğrudan folyo iç tabakasına bağlanmıştır. Bu cihaz, kehribar ve yün birbirine sürtüldüğünde oluşan statik elektriği depoladı.

Kondansatörlerin tasarımı ve kullanılan malzemeler tarih boyunca büyük ölçüde değişse de temel esaslar aynı kalmıştır. Genel olarak kapasitörler, günümüzün teknolojik olarak gelişmiş dünyasında birçok kullanıma sahip olabilen çok basit elektrikli cihazlardır. Modern bir kapasitör genellikle bir yalıtkan etrafına sıkıştırılmış iki iletken plakadan oluşur. Elektrik araştırmacısı Nicola Tesla , kapasitörleri "dinamitin elektrik eşdeğeri" olarak nitelendirdi.

Notlar

Referanslar