Capacitor de água - Water capacitor

Representação gráfica de um gerador de Marx indutivamente acoplado , baseado em condensadores de água. O azul é a água entre as placas e as bolas na coluna central são os centelhadores que se rompem para permitir que os capacitores carreguem em paralelo e descarreguem rapidamente em série.

Um capacitor de água é um dispositivo que usa água como meio isolante dielétrico .

Teoria de Operação

Um capacitor é um dispositivo no qual a energia elétrica é introduzida e pode ser armazenada para um momento posterior. Um capacitor consiste em dois condutores separados por uma região não condutora. A região não condutiva é chamada de isolador dielétrico ou elétrico. Exemplos de meios dielétricos tradicionais são ar, papel e alguns semicondutores. Um capacitor é um sistema autônomo, isolado sem carga elétrica líquida. Os condutores devem conter cargas iguais e opostas em suas superfícies opostas.

Água como um dielétrico

Capacitores convencionais usam materiais como vidro ou cerâmica como meio de isolamento para armazenar uma carga elétrica . Os capacitores de água foram criados principalmente como uma novidade ou para experimentação em laboratório, e podem ser feitos com materiais simples. A água exibe a qualidade de autocura; se houver uma falha elétrica na água, ela retorna rapidamente ao seu estado original e sem danos. Outros isolantes líquidos são propensos à carbonização após a quebra e tendem a perder sua resistência de retenção com o tempo.

A desvantagem de usar água é o curto período de tempo que ela pode reter a voltagem, normalmente na faixa de microssegundos a dez microssegundos (μs). A água desionizada é relativamente barata e ambientalmente segura. Essas características, juntamente com a alta constante dielétrica , fazem da água uma excelente escolha para a construção de grandes capacitores. Se for encontrada uma maneira de aumentar de forma confiável o tempo de espera para uma determinada intensidade de campo, haverá mais aplicações para capacitores de água.

A água demonstrou não ser uma substância muito confiável para armazenar carga elétrica a longo prazo, portanto, materiais mais confiáveis ​​são usados ​​para capacitores em aplicações industriais. No entanto, a água tem a vantagem de ser autocurativa após uma quebra, e se a água circula de forma constante através de uma resina desionizante e filtros, então a resistência à perda e o comportamento dielétrico podem ser estabilizados. Assim, em certas situações incomuns, como a geração de voltagem extremamente alta, mas pulsos muito curtos, um capacitor de água pode ser uma solução prática - como em um pulsador de raio-X experimental.

Um material dielétrico é definido como um material que é um isolante elétrico. Um isolante elétrico é um material que não permite o fluxo de carga. A carga pode fluir como elétrons ou espécies químicas iônicas. Por esta definição, a água líquida não é um isolante elétrico e, portanto, a água líquida não é um dielétrico. A autoionização da água é um processo no qual uma pequena proporção das moléculas de água se dissocia em íons positivos e negativos. É esse processo que dá à água líquida pura sua condutividade elétrica inerente.

Por causa da autoionização, em temperatura ambiente a água líquida pura tem uma concentração de transportador de carga intrínseca semelhante ao semicondutor germânio e uma concentração de transportador de carga intrínseca três ordens de magnitude maior do que o silício semicondutor, portanto, com base na concentração de transportador de carga, a água não pode ser considerado um material puramente dielétrico ou isolante elétrico completo, mas um condutor de carga limitado.

Experimental

A descarga de um capacitor de placa paralela de platina colocado em um recipiente cheio de água ultrapura foi medida. A tendência de descarga observada pode ser descrita por uma equação de Poisson-Boltzmann modificada somente quando a tensão estiver muito baixa. e a capacitância do sistema mostrou uma dependência do espaçamento entre as duas placas de platina. A permissividade da água, calculada considerando o sistema como um capacitor plano, parecia muito alta. Este comportamento pode ser explicado pela teoria dos materiais superdielétricos. A teoria dos materiais superdielétricos e os testes simples demonstraram que o material do lado de fora de um capacitor de placa paralela aumenta drasticamente a capacitância, a densidade de energia e a densidade de potência. Capacitores de placas paralelas simples com apenas ar ambiente entre as placas comportaram-se de acordo com a teoria padrão. Uma vez que o mesmo capacitor foi parcialmente submerso em água deionizada (DI), ou DI com baixas concentrações de NaCl dissolvido, ainda com apenas ar ambiente entre os eletrodos, a capacitância, densidade de energia e densidade de potência, em baixa frequência, aumentaram em mais de sete ordens de magnitude. Notavelmente, a teoria convencional exclui a possibilidade de que o material fora do volume entre as placas irá de alguma forma impactar o comportamento capacitivo.

Foi feito um exame do efeito da aplicação de tensões de 0,1 a 0,82 V em água pura entre eletrodos de metal. O movimento dos íons hidrônio para longe e dos íons hidróxido em direção ao ânodo foi seguido. Esse movimento resultou na formação de uma camada dupla de íons com um campo elétrico em forte ascensão e um pH máximo de aproximadamente 12. No cátodo, ocorreu o contrário e o pH atinge um mínimo de aproximadamente 1,7.

A transição de blindagem condutiva para dielétrica de campos elétricos por um tubo de água pura foi investigada usando um capacitor de placa paralela que foi usado para gerar um campo elétrico uniforme. Dois tubos concêntricos de acrílico plexiglass passaram perpendicularmente pelo campo elétrico gerado entre as placas. A região entre os tubos foi preenchida com ar ou água. Um eletrodo, suspenso dentro do tubo de acrílico interno, foi usado para detectar o potencial elétrico em sua localização. O sensor foi projetado de forma que pudesse ser girado para medir o potencial em uma segunda posição simétrica. A partir da diferença nos dois potenciais, a dependência da freqüência da magnitude e da fase do campo elétrico pode ser determinada. Com água desionizada entre os tubos, a magnitude e a fase do campo elétrico interno foram medidas de 100 Hz a 300 kHz. A resposta de frequência do filtro passa-alta esperada para um tubo dielétrico com condutividade não desprezível foi observada. Ajustes aos dados renderam um valor experimental bastante razoável para a razão entre a condutividade da água e sua constante dielétrica. O modelo também previu que na frequência zero (um campo elétrico estático) seria esperado que a água pura se comportasse como uma gaiola de Faraday .

Formulários

Um tipo simples de capacitor de água é criado usando jarras de vidro cheias de água e alguma forma de material isolante para cobrir as extremidades da jarra. Os condensadores de água não são amplamente utilizados na comunidade industrial devido ao seu grande tamanho físico para uma dada capacitância. A condutividade da água pode mudar muito rapidamente e é imprevisível se deixada aberta para a atmosfera. Muitas variáveis, como temperatura, níveis de pH e salinidade , mostraram alterar a condutividade da água. Como resultado, existem alternativas melhores ao capacitor de água na maioria das aplicações.

A tensão de suporte de pulso de água cuidadosamente purificada pode ser muito alta - acima de 100 kV / cm (em comparação com cerca de 10 cm para a mesma tensão no ar seco).

Um capacitor é projetado para armazenar energia elétrica quando desconectado de sua fonte de carregamento. Em comparação com dispositivos mais convencionais, os capacitores de água atualmente não são dispositivos práticos para aplicações industriais. A capacitância pode ser aumentada pela adição de eletrólitos e minerais à água, mas isso aumenta o vazamento próprio e não pode ser feito além de seu ponto de saturação.

Perigos e benefícios

Os capacitores modernos de alta tensão podem reter sua carga por muito tempo depois que a energia for removida. Essa carga pode causar choques perigosos, ou mesmo potencialmente fatais, se a energia armazenada for superior a alguns joules . Em níveis muito mais baixos, a energia armazenada ainda pode causar danos aos equipamentos conectados. Capacitores de água, sendo autodescarga, (para água totalmente pura, apenas termicamente ionizada, a 25 ° C (77 ° F), a razão de condutividade para permissividade significa que o tempo de autodescarga é de cerca de 180μs, mais rápido com temperaturas mais altas ou impurezas dissolvidas) geralmente não pode ser feito para armazenar energia elétrica residual suficiente para causar lesões corporais graves.

Ao contrário de muitos grandes condensadores industriais de alta tensão, os condensadores de água não requerem óleo. O óleo encontrado em muitos projetos antigos de capacitores pode ser tóxico para animais e humanos. Se um capacitor se rompe e seu óleo é liberado, o óleo geralmente encontra seu caminho para o lençol freático , o que pode causar problemas de saúde ao longo do tempo.

História

Capacitores podem ser originalmente rastreados até um dispositivo chamado jarra de Leyden , criado pelo físico holandês Pieter van Musschenbroek . A jarra de Leyden consistia em uma jarra de vidro com camadas de folha de estanho por dentro e por fora. Um eletrodo de haste foi conectado diretamente ao revestimento de folha metálica por meio de uma pequena corrente ou fio. Este dispositivo armazenava eletricidade estática criada quando âmbar e lã eram friccionados.

Embora o design e os materiais usados ​​nos capacitores tenham mudado muito ao longo da história, os fundamentos básicos permanecem os mesmos. Em geral, os capacitores são dispositivos elétricos muito simples que podem ter muitos usos no mundo tecnologicamente avançado de hoje. Um capacitor moderno geralmente consiste em duas placas condutoras imprensadas em torno de um isolador. O pesquisador elétrico Nicola Tesla descreveu os capacitores como o "equivalente elétrico da dinamite".

Notas

Referências