Wasserkondensator - Water capacitor

Grafische Darstellung eines induktiv gekoppelten Marx-Generators , basierend auf Wasserkondensatoren. Das Blau ist das Wasser zwischen den Platten, und die Kugeln in der mittleren Säule sind die Funkenstrecken, die durchbrechen, damit sich die Kondensatoren parallel laden und schnell in Reihe entladen können.

Ein Wasserkondensator ist ein Gerät, das Wasser als dielektrisches Isoliermedium verwendet.

Theorie der Arbeitsweise

Ein Kondensator ist ein Gerät, in das elektrische Energie eingebracht wird und für eine spätere Zeit gespeichert werden kann. Ein Kondensator besteht aus zwei Leitern, die durch einen nichtleitenden Bereich getrennt sind. Der nichtleitende Bereich wird dielektrischer oder elektrischer Isolator genannt. Beispiele für traditionelle dielektrische Medien sind Luft, Papier und bestimmte Halbleiter. Ein Kondensator ist ein in sich geschlossenes System, das ohne elektrische Nettoladung isoliert ist. Die Leiter müssen auf ihren gegenüberliegenden Oberflächen gleiche und entgegengesetzte Ladungen halten.

Wasser als Dielektrikum

Herkömmliche Kondensatoren verwenden als Isoliermedium Materialien wie Glas oder Keramik, um eine elektrische Ladung zu speichern . Wasserkondensatoren wurden hauptsächlich als Neuheit oder für Laborexperimente entwickelt und können mit einfachen Materialien hergestellt werden. Wasser weist die Eigenschaft auf, selbstheilend zu sein; Kommt es durch das Wasser zu einem Stromausfall , kehrt es schnell in seinen ursprünglichen und unbeschädigten Zustand zurück. Andere flüssige Isolatoren neigen nach dem Zusammenbruch zur Karbonisierung und neigen dazu, mit der Zeit ihre Haltefestigkeit zu verlieren.

Der Nachteil der Verwendung von Wasser ist die kurze Zeitspanne, in der die Spannung gehalten werden kann, typischerweise im Bereich von Mikrosekunden bis zehn Mikrosekunden (μs). Entionisiertes Wasser ist relativ kostengünstig und umweltfreundlich. Diese Eigenschaften zusammen mit der hohen Dielektrizitätskonstanten machen Wasser zu einer ausgezeichneten Wahl für den Bau großer Kondensatoren. Wenn ein Weg gefunden wird, die Hold-Off-Zeit für eine gegebene Feldstärke zuverlässig zu erhöhen, dann wird es mehr Anwendungen für Wasserkondensatoren geben.

Es hat sich gezeigt, dass Wasser keine sehr zuverlässige Substanz ist, um elektrische Ladung langfristig zu speichern, daher werden für Kondensatoren in industriellen Anwendungen zuverlässigere Materialien verwendet. Wasser hat jedoch den Vorteil, dass es nach einem Ausfall selbstheilend ist, und wenn das Wasser stetig durch ein deionisierendes Harz und Filter zirkuliert, können der Verlustwiderstand und das dielektrische Verhalten stabilisiert werden. So kann in bestimmten ungewöhnlichen Situationen, wie der Erzeugung extrem hoher Spannungen, aber sehr kurzer Pulse, ein Wasserkondensator eine praktikable Lösung sein – etwa in einem experimentellen Röntgenpulser.

Ein dielektrisches Material ist als ein Material definiert, das ein elektrischer Isolator ist. Ein elektrischer Isolator ist ein Material, das den Ladungsfluss nicht zulässt. Ladung kann als Elektronen oder ionische chemische Spezies fließen. Nach dieser Definition ist flüssiges Wasser kein elektrischer Isolator und daher ist flüssiges Wasser kein Dielektrikum. Die Selbstionisierung von Wasser ist ein Prozess, bei dem ein kleiner Teil der Wassermoleküle in positive und negative Ionen dissoziiert. Es ist dieser Prozess, der reinem flüssigem Wasser seine inhärente elektrische Leitfähigkeit verleiht.

Aufgrund der Selbstionisation hat reines flüssiges Wasser bei Umgebungstemperaturen eine ähnliche Eigenladungsträgerkonzentration wie der Halbleiter Germanium und eine Eigenladungsträgerkonzentration, die drei Größenordnungen höher ist als die des Halbleiters Silizium, daher kann Wasser basierend auf der Ladungsträgerkonzentration nicht als rein dielektrisches Material oder vollständiger elektrischer Isolator betrachtet werden, jedoch als begrenzter Ladungsleiter.

Experimental

Die Entladung eines Platin-Plattenkondensators in einem mit Reinstwasser gefüllten Gefäß wurde gemessen. Der beobachtete Entladungstrend konnte nur bei sehr niedriger Spannung durch eine modifizierte Poisson-Boltzmann-Gleichung beschrieben werden. und die Systemkapazität zeigte eine Abhängigkeit vom Abstand zwischen den beiden Platinplatten. Die Permittivität von Wasser, berechnet unter Berücksichtigung des Systems als ebenen Kondensator, schien sehr hoch zu sein. Dieses Verhalten kann durch die Theorie superdielektrischer Materialien erklärt werden. Die Theorie superdielektrischer Materialien und einfache Tests zeigten, dass Material auf der Außenseite eines Parallelplattenkondensators die Kapazität, Energiedichte und Leistungsdichte dramatisch erhöht. Einfache Parallelplattenkondensatoren mit nur Umgebungsluft zwischen den Platten verhielten sich gemäß der Standardtheorie. Sobald derselbe Kondensator teilweise in entionisiertes Wasser (DI) oder DI mit geringen gelösten NaCl-Konzentrationen eingetaucht wurde, wobei sich immer noch nur Umgebungsluft zwischen den Elektroden befand, stiegen die Kapazität, Energiedichte und Leistungsdichte bei niedriger Frequenz um mehr als sieben Größenordnungen. Insbesondere schließt die konventionelle Theorie die Möglichkeit aus, dass Material außerhalb des Volumens zwischen den Platten in irgendeiner Weise das kapazitive Verhalten beeinflusst.

Es wurde die Wirkung des Anlegens von Spannungen von 0,1 bis 0,82 V an reines Wasser zwischen Metallelektroden untersucht. Die Bewegung der Hydroniumionen weg von der Anode und der Hydroxidionen zur Anode wurde verfolgt. Diese Bewegung führte zur Bildung einer Ionendoppelschicht mit einem steil ansteigenden elektrischen Feld und einem maximalen pH-Wert von ca. 12. An der Kathode trat das Gegenteil ein und der pH-Wert erreicht ein Minimum von ca. 1,7.

Der Übergang von der leitfähigen zur dielektrischen Abschirmung elektrischer Felder durch eine Röhre mit reinem Wasser wurde unter Verwendung eines Parallelplattenkondensators untersucht, der verwendet wurde, um ein gleichmäßiges elektrisches Feld zu erzeugen. Zwei konzentrische Acryl-Plexiglas-Röhren gingen senkrecht durch das zwischen den Platten erzeugte elektrische Feld. Der Bereich zwischen den Röhrchen wurde mit Luft oder Wasser gefüllt. Eine Elektrode, die in der inneren Plexiglasröhre aufgehängt war, wurde verwendet, um das elektrische Potenzial an ihrem Ort zu messen. Der Sensor wurde so konstruiert, dass er gedreht werden konnte, um das Potenzial an einer zweiten symmetrischen Position zu messen. Aus der Differenz der beiden Potentiale konnte die Frequenzabhängigkeit von Betrag und Phase des elektrischen Feldes bestimmt werden. Mit entionisiertem Wasser zwischen den Rohren wurde die Stärke und Phase des inneren elektrischen Feldes von 100 Hz bis 300 kHz gemessen. Der für eine dielektrische Röhre mit nicht zu vernachlässigender Leitfähigkeit erwartete Hochpassfilter-Frequenzgang wurde beobachtet. Anpassungen an die Daten ergaben einen sehr vernünftigen experimentellen Wert für das Verhältnis der Leitfähigkeit des Wassers zu seiner Dielektrizitätskonstante. Das Modell sagte auch voraus, dass sich reines Wasser bei einer Frequenz von Null (einem statischen elektrischen Feld) wie ein Faradayscher Käfig verhalten würde .

Anwendungen

Eine einfache Art von Wasserkondensator wird hergestellt, indem mit Wasser gefüllte Glasgefäße und eine Form von Isoliermaterial verwendet werden, um die Enden des Gefäßes abzudecken. Wasserkondensatoren werden aufgrund ihrer großen physikalischen Größe für eine gegebene Kapazität in der Industrie nicht häufig verwendet. Die Leitfähigkeit von Wasser kann sich sehr schnell ändern und ist unvorhersehbar, wenn es der Atmosphäre ausgesetzt wird. Es hat sich gezeigt, dass viele Variablen wie Temperatur, pH-Wert und Salzgehalt die Leitfähigkeit in Wasser verändern. Dadurch gibt es in den meisten Anwendungen bessere Alternativen zum Wasserkondensator.

Die Impulsspannungsfestigkeit von sorgfältig gereinigtem Wasser kann sehr hoch sein – über 100 kV/cm (im Vergleich zu etwa 10 cm bei gleicher Spannung in trockener Luft).

Ein Kondensator soll elektrische Energie speichern, wenn er von seiner Ladequelle getrennt wird. Im Vergleich zu konventionelleren Geräten sind Wasserkondensatoren derzeit keine praktischen Geräte für industrielle Anwendungen. Die Kapazität kann durch die Zugabe von Elektrolyten und Mineralien zum Wasser erhöht werden, dies erhöht jedoch die Eigenleckage und kann nicht über seinen Sättigungspunkt hinaus erfolgen.

Gefahren und Vorteile

Moderne Hochspannungskondensatoren können ihre Ladung noch lange nach dem Abschalten der Stromversorgung behalten. Diese Ladung kann gefährliche oder sogar tödliche Schläge verursachen, wenn die gespeicherte Energie mehr als einige Joule beträgt . Bei viel niedrigeren Werten kann gespeicherte Energie dennoch Schäden an angeschlossenen Geräten verursachen. Wasserkondensatoren, die selbstentladend sind (für reinstes Wasser, nur thermisch ionisiert, bei 25 °C (77 °F) bedeutet das Verhältnis von Leitfähigkeit zu Permittivität, dass die Selbstentladungszeit ca. 180μs beträgt, schneller bei höheren Temperaturen oder gelösten Verunreinigungen) normalerweise kann nicht genügend elektrische Restenergie speichern, um schwere Körperverletzungen zu verursachen.

Im Gegensatz zu vielen großen industriellen Hochspannungskondensatoren benötigen Wasserkondensatoren kein Öl. Öl, das in vielen älteren Kondensatorkonstruktionen enthalten ist, kann sowohl für Tiere als auch für Menschen giftig sein. Wenn ein Kondensator aufbricht und sein Öl freigesetzt wird, gelangt das Öl oft in den Grundwasserspiegel , was mit der Zeit zu gesundheitlichen Problemen führen kann.

Geschichte

Kondensatoren lassen sich ursprünglich auf ein Gerät namens Leydener Glas zurückführen , das vom niederländischen Physiker Pieter van Musschenbroek entwickelt wurde . Das Leydener Glas bestand aus einem Glasgefäß mit Zinnfolienschichten auf der Innen- und Außenseite des Gefäßes. Eine Stabelektrode wurde mit einer kleinen Kette oder einem Draht direkt mit der Folieneinlage verbunden. Dieses Gerät speichert statische Elektrizität, die entsteht, wenn Bernstein und Wolle aneinander gerieben werden.

Obwohl sich das Design und die Materialien, die in Kondensatoren verwendet werden, im Laufe der Geschichte stark verändert haben, sind die grundlegenden Grundlagen gleich geblieben. Kondensatoren sind im Allgemeinen sehr einfache elektrische Geräte, die in der heutigen technologisch fortschrittlichen Welt viele Anwendungen haben können. Ein moderner Kondensator besteht normalerweise aus zwei leitenden Platten, die um einen Isolator herum angeordnet sind. Die Elektroforscherin Nicola Tesla beschrieb Kondensatoren als das "elektrische Äquivalent von Dynamit".

Anmerkungen

Verweise