콘덴서

Water capacitor
물 콘덴서에 기반한 유도 결합 마르크스 발전기의 그래픽 표현.파란색은 플레이트 사이의 물이고, 중앙 칼럼의 볼은 콘덴서가 병렬로 충전할 수 있도록 차단되어 직렬로 빠르게 방전되는 스파크 갭입니다.

물 콘덴서는 물을 절연 매체로 사용하는 장치입니다.

연산 이론

캐패시터는 전기 에너지가 도입되어 나중에 저장될 수 있는 장치입니다.콘덴서는 비전도성 영역에 의해 분리된 2개의 도체로 구성됩니다.비전도 영역은 유전체 또는 전기 절연체라고 불립니다.전통적인 유전 매체의 예로는 공기, 종이 및 특정 반도체가 있습니다.콘덴서는 자가 완비 시스템이며, 순수 전하를 사용하지 않고 격리됩니다.도체는 마주보는 [1]표면에 동일한 양의 반대 전하를 유지해야 합니다.

유전체로서의 물

기존 콘덴서는 전하를 저장하기 위한 절연 매체로 유리나 세라믹 등의 재료를 사용합니다.워터 캐패시터는 주로 신규품목이나 실험실 실험용으로 제작되었으며, 간단한 재료로 제작할 수 있다.물은 자가 치유되는 특성을 나타내며, 물을 통해 전기적 고장이 발생할 경우 즉시 원래 상태로 복구됩니다.다른 액체 절연체는 분해 후 탄화되기 쉬우며 시간이 지남에 따라 대기 강도가 약해집니다.

물을 사용할 때의 단점은 전압을 지연시킬 수 있는 시간이 짧다는 것입니다.일반적으로 마이크로초에서 10마이크로초(μs) 범위입니다.탈이온수는 비교적 저렴하고 환경적으로 안전하다.이러한 특성은 높은 유전율과 함께 물을 대형 캐패시터를 구축하는 데 매우 적합합니다.주어진 전계 강도에 대한 홀드오프 시간을 안정적으로 증가시키는 방법을 찾을 수 있다면, 물 [2]콘덴서는 더 많이 적용될 것이다.

물은 전하를 장기간 저장할 수 있는 매우 신뢰할 수 있는 물질이 아니기 때문에 [3]산업용 콘덴서에 보다 신뢰할 수 있는 재료가 사용됩니다.단, 물은 분해 후 자가 치유되는 장점이 있어 탈이온화수지 및 필터를 통해 물이 꾸준히 순환하면 내손실성 및 유전 거동을 안정시킬 수 있다.따라서 매우 고전압이지만 매우 짧은 펄스의 발생과 같은 특수한 상황에서는 실험적인 X선 [4]펄서와 같은 실용적인 솔루션이 될 수 있습니다.

유전체 재료는 전기 절연체 재료로서 정의된다.전기 절연체는 전하의 흐름을 허용하지 않는 재료입니다.전하가 전자나 이온 화학 종으로 흐를 수 있습니다.이 정의에 따르면 액체 물은 전기 절연체가 아니므로 액체 물은 유전체가 아닙니다.물의 자가 이온화는 소량의 물 분자가 양이온과 음이온으로 분리되는 과정이다.순수한 액체 상태의 물에 고유의 전기 전도성을 부여하는 것은 이 과정입니다.

자기 이온화에 의해 주위 온도에서 순수 액체는 반도체 게르마늄과 유사한 고유 전하 캐리어 농도를 가지며 반도체 실리콘보다 3배 높은 고유 전하 캐리어 농도를 가지므로 전하 캐리어 농도로 볼 때 물은 p로 볼 수 없다.유전체 재료 또는 완전한 전기 절연체이지만 제한된 [5]전하 도체여야 합니다.

실험적인

초순수가 채워진 용기에 배치된 백금 평행판 캐패시터의 방전이 [6]측정되었습니다.관찰된 방전 경향은 전압이 매우 낮을 때만 수정 포아송-볼츠만 방정식으로 설명할 수 있습니다. 시스템 캐패시턴스는 두 백금 플레이트 사이의 간격에 의존합니다.이 시스템을 평면 콘덴서로 간주하여 계산한 물의 유전율은 매우 높은 것으로 나타났습니다.이 현상은 슈퍼 유전체 [7]물질 이론에 의해 설명될 수 있다.초유전체 재료 이론과 간단한 테스트에 따르면 평행판 캐패시터 외부에 있는 재료는 캐패시턴스, 에너지 밀도 및 전력 밀도를 크게 증가시킵니다.플레이트 사이에 외부 공기만 있는 단순한 병렬 플레이트 캐패시터는 표준 이론에 따라 작동합니다.일단 동일한 콘덴서가 Dionized Water(DI; 탈이온수)에 부분적으로 잠기거나 NaCl 농도가 낮은 DI에 여전히 전극 사이에 외부 공기만 있는 상태에서 낮은 주파수에서 캐패시턴스, 에너지 밀도 및 전력 밀도가 7배 이상 증가했습니다.특히 기존 이론에서는 플레이트 사이의 부피 밖에 있는 물질이 용량적 거동에 영향을 미칠 가능성을 배제합니다.

금속 [8]전극 사이의 순수한 물에 0.1~0.82V의 전압을 인가하는 효과를 조사하였다.수소 이온이 양극에서 멀어지고 수산화 이온이 양극으로 이동하는 과정이 뒤따랐다.이 움직임으로 인해 전계가 급격히 상승하고 최대 pH가 약 12인 이온 이중층이 형성되었습니다.음극에서는 그 반대 현상이 발생하여 pH가 최소 약 1.7에 도달합니다.

순수한 물의 튜브에 의한 전계의 전도성 선별에서 유전체 선별로의 이행은 균일한 [9]전계를 생성하는 데 사용된 평행판 캐패시터를 사용하여 조사되었다.두 개의 동심 아크릴 플렉시글래스 튜브가 플레이트 사이에 발생하는 전계를 수직으로 통과했다.튜브 사이는 공기나 물로 채워져 있었다.내부 플렉시글래스 튜브 내부에 매달려 있는 전극을 사용하여 위치에서 전위를 감지했습니다.센서는 두 번째 대칭 위치에서 전위를 측정하기 위해 회전할 수 있도록 설계되었습니다.두 전위의 차이로부터 전계의 크기와 위상의 주파수 의존성을 결정할 수 있었다.튜브 사이의 탈이온수를 사용하여 내부 전기장의 크기와 위상을 100Hz에서 300kHz로 측정했다.비점멸성 전도성을 가진 유전관에 대해 예상되는 하이패스 필터 주파수 응답이 관찰되었습니다.데이터에 대한 적합치는 유전율에 대한 물의 전도율 비율에 대해 매우 합리적인 실험 값을 산출했습니다.이 모델은 또한 제로 주파수(정전장)에서 순수한 물이 패러데이 케이지처럼 작동할 것으로 예측했다.

적용들

물을 채운 유리병과 어떤 형태의 절연재를 사용하여 병 끝을 덮는 간단한 형태의 콘덴서를 제작한다.물 캐패시터는 특정 캐패시턴스에 비해 물리적 크기가 크기 때문에 산업계에서 널리 사용되지 않습니다.물의 전도율은 매우 빠르게 변할 수 있으며 대기에 개방되어 있으면 예측할 수 없습니다.온도, pH 수준, 염도와 같은 많은 변수가 물의 전도성을 변화시키는 것으로 나타났습니다.그 결과 대부분의 용도에서는 물 콘덴서에 대한 더 나은 대안이 있습니다.

조심스럽게 정제된 물의 펄스 내전압은 100kV/cm 이상일 수 있다(건조 [10]공기의 동일한 전압에 비해 약 10cm).

콘덴서는 충전원에서 분리될 때 전기 에너지를 저장하도록 설계되어 있습니다.기존의 장치에 비해 물 콘덴서는 현재 산업용으로는 실용적이지 않습니다.전해질과 광물을 물에 첨가하면 정전용량이 증가할 수 있지만, 이는 자가 누출을 증가시켜 포화점을 [11]초과할 수 없습니다.

위해성과 유익성

최신 고전압 캐패시터는 전원을 차단한 후에도 오랫동안 전하를 유지할 수 있습니다.저장된 에너지가 몇 줄 이상일 경우 이 전하가 위험하거나 치명적일 수 있습니다.훨씬 낮은 레벨에서도 저장된 에너지로 인해 연결된 기기가 손상될 수 있습니다.자가 방전되는 물 캐패시터(완전히 순수한 물의 경우 25°C(77°F)에서 열적으로만 이온화됨)는 일반적으로 자가 방전 시간이 약 180μs로 더 빠르고 높은 온도 또는 용해된 불순물로 인해 심각한 부상을 일으킬 수 있는 잔류 전기 에너지를 저장할 수 없습니다.y.

많은 대형 산업용 고전압 캐패시터와 달리, 물 캐패시터는 오일을 필요로 하지 않습니다.많은 오래된 콘덴서 디자인에서 발견되는 기름은 동물과 사람 모두에게 독이 될 수 있습니다.콘덴서가 고장나서 오일이 방출되면 오일은 종종 물 테이블로 흘러 들어가 시간이 [12]지남에 따라 건강 문제를 일으킬 수 있습니다.

역사

콘덴서는 원래 네덜란드의 물리학자 피터 반 무센브룩에 [13]의해 만들어진 레이든 항아리라고 불리는 장치로 거슬러 올라갈 수 있다.레이든 항아리는 항아리 안쪽과 바깥쪽에 은박층이 있는 유리 항아리로 구성되었다.로드 전극은 작은 체인 또는 와이어를 통해 포일 내층에 직접 연결되었다.이 장치는 호박과 양털을 [14][1]문지르면 발생하는 정전기를 저장했다.

캐패시터에 사용되는 설계와 재료는 역사를 통해 크게 변화했지만 기본은 변하지 않았습니다.일반적으로 캐패시터는 매우 단순한 전기 장치이며, 오늘날의 기술 진보된 세계에서 다양한 용도로 사용될 수 있습니다.최신 캐패시터는 일반적으로 절연체 주위에 끼워진 두 개의 도전 플레이트로 구성됩니다.전기 연구자인 니콜라 테슬라는 콘덴서를 [15]"다이너마이트와 동등한 전기 용량"이라고 표현했다.

메모들

  1. ^ a b Schulz, Alexander (2011). Capacitors : Theory, Types, And Applications (eBook). Ipswich, MA: Nova Science Publishers.
  2. ^ Kristiansen, Magne. "DSWA-TR-97-30" (PDF). Defense Special Weapons Agency. Archived from the original (PDF) on March 3, 2016.
  3. ^ Egal,Hammer, Geoff, Spinner. "Water and Glass Capacitor". Reseah in Utilization of Free Energy Found in Nature. Geoff Egal. Retrieved 26 March 2013.
  4. ^ Horioka, Kazuhiko (Mar 2007). "Pumping system for Capillary Dscharge Laser" (PDF). National Institute for Fusion Science.
  5. ^ C. S. Fuller "반도체에서의 결함 상호작용" 5장 192-221 "반도체" N. B. Hannay Ed.라인홀드, 1959년 뉴욕
  6. ^ Musumeci, Francesco; Pollack, Gerald H. (October 2014). "High electrical permittivity of ultrapure water at the water–platinum interface". Chemical Physics Letters. 613: 19–23. Bibcode:2014CPL...613...19M. doi:10.1016/j.cplett.2014.08.051. ISSN 0009-2614. PMC 4170795. PMID 25258452.
  7. ^ Phillips, Jonathan; Roman, Alexander (2019-06-25). "Understanding Dielectrics: Impact of External Salt Water Bath". Materials. 12 (12): 2033. Bibcode:2019Mate...12.2033P. doi:10.3390/ma12122033. ISSN 1996-1944. PMC 6630679. PMID 31242567.
  8. ^ Morrow, R.; McKenzie, D. R. (2011-08-10). "The time-dependent development of electric double-layers in pure water at metal electrodes: the effect of an applied voltage on the local pH". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 468 (2137): 18–34. doi:10.1098/rspa.2011.0323. ISSN 1364-5021.
  9. ^ Bobowski, Jake S.; De Vos, Jaklyn (2015-11-17). "Screening Electric Fields using a Tube of Water: The Transition from Conductive to Dielectric Screening". 2015 Conference on Laboratory Instruction Beyond the First Year. 2015 Conference on Laboratory Instruction Beyond the First Year. American Association of Physics Teachers. pp. 16–19. doi:10.1119/bfy.2015.pr.004.
  10. ^ 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). "Dielectric-breakdown tests of water at 6MV". Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams. Sandia Labs. 12 (1): 010402. Bibcode:2009PhRvS..12a0402S. doi:10.1103/PhysRevSTAB.12.010402.
  11. ^ Dorf, Richard C.; Svoboda, James A. (2001). Introduction to Electric Circuits (5th ed.). New York: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-38689-6.
  12. ^ Moller, Peter; Kramer, Bernd (December 1991), "Review: Electric Fish", BioScience, American Institute of Biological Sciences, 41 (11): 794–6 [794], doi:10.2307/1311732, JSTOR 1311732
  13. ^ Bolund, Björn F; Berglund, M; Bernhoff, H. (March 2003). "Dielectric study of water/methanol mixtures for use in pulsed-power water capacitors". Journal of Applied Physics. 93 (5): 2895–2899. Bibcode:2003JAP....93.2895B. doi:10.1063/1.1544644.
  14. ^ Korotkov, S; Aristov, Y; Kozlov, A; Korotkov, D; Rol'nik, I (March 2011). "A generator of electrical discharges in water". Instruments & Experimental Techniques. 54 (2): 190–193. doi:10.1134/s0020441211010246. S2CID 110287581.
  15. ^ Shectman, Jonathan (2003), Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the 18th Century, Greenwood Press, pp. 87–91, ISBN 0-313-32015-2 Sewell, Tyson (1902), The Elements of Electrical Engineering, Lockwood, p. 18

레퍼런스