Что может накапливать и запирать в своем кармане электрический заряд
Что накапливает заряд, проводник или диэлектрик?
Как это часто бывает, при постановки научных экспериментов, результаты редко оправдывают цель, но попутно позволяют понять несколько иные и возможно даже более важные вещи.
Сегодняшний эксперимент, изначально поставленный с целью получения миниатюрной шаровой молнии, закончился тем, что под вопрос стала верность теории работы электрического конденсатора.
Постановка эксперимента заключалась в том, что бы пропустить разряды высокого напряжения через воду, тем самым вызвать ударное образование плазмы как это бывает в природе. Один из электродов повышающего трансформатора проходил внутрь бутылки которая была заполнена водой, второй размещался выше от поверхности воды на высоте примерно 40-50 см, и не имел прямого контакта самой бутылкой. Проходящий снизу электрод, который был погружен в воду, с относительной проводимостью тока, фактически имел контакт с внутренней поверхностью бутылки, через воду. После проведения 30-40 секундного пробоя эксперимент был остановлен, для корректировки позиции бутылки и нижнего электрода погруженного в воду.
По привычке, проверка касанием руки каждого из электродов. Проводник разряжен. Начинаю корректировать позицию бутылки и тут начинается самое интересное. Приняв изначально слабый разряды менее 1 мм длинной, и слабый треск за шелест полиэтиленовой этикетки, я начинаю понимать что снимаю разряды на себя, с диэлектрика. Этого не может быть! Поводив пальцами по поверхности бутылки некоторое время, я собрал с каждого отдельной площади мелко шьющие и почти не чувствительные для меня заряды. А после, невзначай коснувшись металлического стула, на котором крепился нижний прут контакта, получил разряд. Не может быть, надо повторить.
Решил несколько изменить постановку. Подвесив в воздухе бутылку между электродами, на расстоянии примерно 15 см от каждого, я пропустил несколько разрядов и заметил что разряды просто стекали по стенкам пластика. Проверка рукой. Ничего. Ну все верно, зачем току пробивать диэлектрик когда гораздо легче бежать по ионизированному каналу воздуха, магнитным полем.
Вернулся к старой постановке, повторил. Все повторилось. Снимая заряды от диэлектрика я после с легкостью их отдавал скажем стулу который имел соприкосновение с контактом погруженным воду. Значит меня бьет/заряжает не проводник, а диэлектрик. Причем с внешней стороны от контакта погруженного в воду.
Что бы окончательно расставить все по своим местам нужно было провести более чистый эксперимент, непосредственно направленный на подтверждение или опровержение данной трактовки явления.
Изначально заготовив 4 одинаковых листочка фольги и приклеив к ним скотчем небольшие проводки, я принялся собирать конденсатор. После сборки провел зарядку. Используя резиновые перчатки, плоскогубцы и пластиковую лопатку, мне удалось поочередно разобрать конденсатор. Фольга упорно не хотела отходить от своих пластин. Оставив только нижнюю пластинку диэлектрика, ПВХ (0.3 мм), а две другие расположив неподалеку, я принялся укладывать совершенно левые пластины фольги, которые не участвовали в зарядке конденсатора, перекладывая их в той же последовательности с пластинами диэлектрика ПВХ я закончил сборку. Момент истины. Свожу плоскогубцами два провода контакта конденсатора: ИСКРА!
Заряды накапливают и хранят не проводники а диэлектрики! Пластины из проводника лишь служат способом быстрой доставки и быстрого сбора заряда при зарядке разрядке конденсатора. В конденсаторе пластины из проводника не создают магнитного поля, они пассивны!
После успешного проведения эксперимента, я решил соединить две пластины фольги, которые участвовали в зарядке. В подтверждение всего сказанного выше они даже не выдали разряда, хотя как пластины диэлектрика так и проводника снятые во время разборки не контактировали с другими проводниками, емкостями и контурами.
История науки и техники Com New
Электрическая «капсула»
Автор еще раз убеждается во всесилии электричества, равно как и в том, что от воплощения своей мечты он пока еще очень далек…
Как накопить электроны?
Да, тепловые накопители если и не завели меня в дебри, то уж точно направили по ложному пути. Чуть было даже не забрел в гости к «демону Максвелла», а уйти от него, говорят, гораздо труднее, чем познакомиться с ним. Но с этим уже все. Торжественно пообещав себе больше не отвлекаться на яркие пустышки, я принялся за изучение других накопителей из моего списка. Теперь очередь дошла до устройств, накапливающих электрическую энергию. И в начале перечня у меня значился конденсатор.
Я уже говорил, что электрическая машина преобразует механическую энергию в энергию электрического заряда, а он накапливается в конденсаторе – лейденской банке. Это один из самых первых типов конденсаторов, получивший свое название от голландского города Лейдена, в котором в середине XVIII века был создан.
Лейденскую банку можно увидеть в любом школьном физическом кабинете. Она представляет собой обыкновенный тонкостенный стеклянный цилиндр, оклеенный изнутри и снаружи фольгой. Внутренняя обкладка соединена с металлическим стержнем, оканчивающимся шариком. Если при зарядке лейденской банки мы подключим шарик к отрицательному полюсу электрической машины, на внутреннюю обкладку добавится некоторое количество избыточных электронов; тогда с наружной обкладки, подключенной к положительному полюсу машины, или к «земле», соответствующее количество электронов будет удалено. Таким образом на обкладках конденсатора окажутся равные по величине, но противоположные по знаку заряды, – прибор заряжен.
Разряжать лейденскую банку можно только с помощью специального разрядника, изолированного от рукоятки, за которую его держат. Попытки разрядить лейденскую банку руками нередко заканчивались гибелью экспериментаторов. Правда, это было давно, когда люди еще не знали об опасности такого опыта.
Но если лейденская банка столь опасна, значит, в ней заключено много энергии! Не та ли это «капсула», что я ищу?
Поскольку лейденской банки под рукой не оказалось, я взял первый попавшийся конденсатор, из тех, которые остались после ремонта телевизора, и сунул его выводы в штепсель. Пробежала искра. Я отнял прибор от штепселя, но тут вдруг припомнил чьи-то слова: «Переменным током конденсатор не зарядишь». Разочарованный, я прикоснулся пальцами к выводам конденсатора, дабы убедиться в справедливости этих слов, и… По искрам, которые посыпались у меня из глаз, я понял, что мой конденсатор не хуже лейденской банки. Стал вспоминать, кто же это меня обманул, однако так и не вспомнил. Решил все же не испытывать больше судьбу и сначала почитать что-нибудь о конденсаторах, а уж потом заниматься экспериментами.
Раньше, в XVII—XVIII веках, электричество представляли себе как некую невесомую «электрическую жидкость», которая может «вливаться» в проводник. Отсюда по величине заряда – количеству этой «электрической жидкости» – стали определять емкость конденсатора как какой-нибудь фляги или бутыли. Ученые давно заметили, что чем обширнее площадь обкладок и чем меньше зазор между ними, тем больше емкость конденсатора. Однако делать зазор слишком малым нельзя – при высоком напряжении, приложенном к конденсатору, может наступить «пробой» зазора искрой. В лучшем случае конденсатор потеряет заряд, а в худшем – разрушится, причем, что не исключено, со взрывом. Сантиметровый слой воздуха, например, пробивается при напряжении 30 000 В. Понижать же напряжение невыгодно. Ведь в конечном счете нас интересует не просто емкость конденсатора, а его энергоемкость, равная произведению заряда на напряжение. Поэтому уменьшение зазора между обкладками – это не путь к повышению энергоемкости. Выход один – увеличивать площадь обкладок.
И еще одно очень интересное свойство конденсатора открылось ученым. Если помещать между его обкладками различные непроводящие материалы – диэлектрики, емкость конденсатора может резко меняться. Эту способность диэлектриков изменять емкость конденсатора назвали диэлектрической проницаемостью. Было установлено: чем больше величина диэлектрической проницаемости, тем больше при прочих равных условиях емкость конденсатора.
Диэлектрическая проницаемость равна в вакууме единице. Очень близка к этому значению диэлектрическая проницаемость воздуха, поэтому воздушные конденсаторы имеют очень малую емкость. Если идти в сторону увеличения диэлектрической проницаемости, то ее значение для парафина – 2, для фарфора и стекла – до 7, а для воды – 81. То есть водный конденсатор обладает в 81 раз большей емкостью, чем воздушный.
Однако при подсчете плотности энергии обычных конденсаторов, например электролитических, которые широко распространены в радиотехнике, выяснилось, что она очень низкая, не выше, чем у обычных стальных пружин. Даже у конденсаторов-гигантов плотность энергии не выше, хотя общее количество энергии может быть достаточно велико.
За единицу емкости конденсаторов принята фарада (Ф). Это очень крупная единица, такую емкость мог бы иметь, например шар, диаметр которого равен 18 млн км, то есть в 1500 раз больше нашей Земли! Разумеется, емкость большинства существующих конденсаторов значительно меньше, поэтому ее измеряют в миллионных долях фарады – микрофарадах (мкФ), или в единицах, еще в миллион раз меньших, – пикофарадах (пФ).
Геометрическое представление единицы электроемкости – фарады
Если взвесить самый заурядный электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ при напряжении 300 В, то масса его составит несколько десятков граммов. А энергии в этом конденсаторе будет менее 0,5 Дж. Стало быть, плотность энергии достигнет около 10 Дж/кг. Хорошие конденсаторы могут накопить энергии раз в 10 больше, но и это очень немного.
Чтобы резко повысить емкость конденсаторов, приходится прибегать ко всяким ухищрениям. И надо сказать, в последнее время ученые здесь преуспели. В Японии, например, впервые был изготовлен конденсатор из активированного угля!
Электролитический конденсатор
Известно, что активированный уголь, приготовленный путем кипячения древесного угля в воде, имеет огромную поверхность на единицу объема. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли. Благодаря этому активированный уголь отлично поглощает запахи, яды, различные газы. Им заполняют противогазы, его принимают при отравлениях, используют во многих других случаях. Именно поверхность активированного угля и заинтересовала японских ученых. Уголь пропитывают раствором солей щелочных металлов – натрия, калия, лития в органическом растворителе, и происходит чудо – емкость 1 см такого конденсатора возрастает до десяти и более фарад! Иначе говоря, до емкости размещенного в пустоте шара, чей диаметр в 15 тыс. раз больше, чем диаметр Земли, больше, чем расстояние от Земли до Солнца! Но в отношении энергии это мало что дает – конденсатор из активированного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение. Плотность энергии такого конденсатора составляет примерно 1 кДж/кг, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но все-таки крайне мала.
Венгерские ученые пошли по другому пути. Они создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокой диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость – 130 тыс. единиц! – у дезоксирибонуклеиновой кислоты, той самой ДНК, которая несет генетическую информацию. Если обычный конденсатор емкостью 10 мкФ заполнить в качестве электролита ДНК, то при напряжении 300 В плотность его энергии составит 20 кДж/кг, что превышает тот же показатель для резиновых аккумуляторов.
Тут мне пришло в голову: что, если объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть пропитать активированный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой. Удельная энергия конденсатора, судя по всему, вырастет еще раз в 100. Тогда масса «энергетической капсулы», необходимой автомобилю для прохождения 100 км, была бы не более 1-2 кг!
Да, заманчиво, конечно, все это осуществить, но где достать столько ДНК? Как пропитать ДНК-активированный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить? Какова будет сила взрыва, если произойдет случайный пробой?
Мне было трудно ответить на поставленные вопросы, кроме последнего. Дело в том, что однажды я чуть не стал заикой от оглушительного взрыва телевизионного конденсатора, энергия которого была в десятки тысяч раз меньше…
И еще одно обстоятельство меня огорчало. «Перестраховщики» ученые, зная почти все про конденсаторы, определили теоретический предел плотности их энергии, который оказался в тысячи раз ниже по сравнению с вычисленным мной. Кто-то из нас очень ошибался в своих расчетах, и я, кажется, догадывался, кто… По крайней мере на ближайшее будущее с помощью так называемых «ультраконденсаторов» в США планируют накапливать энергию в количестве всего около 30 кДж/кг.
Конденсатор-гигант
Между тем современные, так называемые «молекулярные» конденсаторы, несмотря на небольшую плотность энергии, в десятки раз уступающую плотности современных электроаккумуляторов, успешно применяются для запуска двигателей внутреннего сгорания и даже для перемещения транспортных средств на небольшие расстояния. Например, для некоторых типов инвалидных колясок.
Бакарабан
Что такое конденсатор? Как он работает?
Посмотрите в небо и в большинство дней вы увидите несколько огромных конденсаторов, плавающих над вашей головой. Конденсаторы — устройства хранения энергии, которые широко используются в телевизорах, радиоприемниках и других видах электронного оборудования. Настраиваете радиоприемник на станцию, делаете фото с цифровой камеры со вспышкой, или листаете каналы на вашем телевизоре HDTV, вы косвенно пользуетесь конденсаторами. Конденсаторы, которые дрейфуют в небе, более известны как облака и, хотя они гигантские по сравнению с конденсаторами, которые мы используем в электронике, они хранят энергию точно таким же образом. Давайте поближе рассмотрим конденсаторы и как они работают!
Что такое конденсатор?
Возьмите два электрических проводника (пусть электричество течет по ним) и разделите их диэлектриком (материалом, который пропускает электрический поток очень плохо), и вы получите конденсатор: устройство, которое может хранить электрическую энергию. Добавление электрической энергии в конденсатор называется зарядкой; высвобождение энергии из конденсатора известно, как разрядка.
Конденсаторы бывают различных форм и размеров, но они обычно имеют те же основные компоненты. Есть два проводника (известные как пластины, в основном по историческим причинам) и есть изолятор между ними (так называемый диэлектрик). Две пластины внутри конденсатора подключены к двум электрическим соединениям, называемым клеммы, которые похожи на тонкие металлические ножки для подключения к электрической цепи.
Вы можете заряжать конденсатор, просто подсоединив его к электрической цепи. При включении питания, электрический заряд постепенно накапливается на пластинах. Одна пластина приобретет положительный заряд, а другая пластина — равный по величине и противоположный по знаку (отрицательный) заряд. Если вы отключите питание, то конденсатор будет держать заряд (хотя он может медленно ослабевать со временем). Но если вы подключите конденсатор ко второй цепи, содержащей нечто вроде электрического мотора или лампы-вспышки, то заряд будет перетекать из конденсатора в мотор или лампу пока на пластинах не останется заряда.
Хотя конденсаторы имеют одну основную функцию(сохранение заряда), они могут быть использованы для разных целей в электрических цепях. Они могут быть применены в качестве приборов времени (потому что, разрядка конденсатора занимает определенное, предсказуемое количество времени), в качестве фильтров (цепей, которые пропускают только определенные сигналы в поток), для сглаживания напряжения в цепях, для тюнинга (в радиоприемниках и телевизорах), и для других целей. Большие суперконденсаторы могут также использоваться вместо батарей.
Конденсаторы и их емкость
Как можно измерить емкость?
Почему конденсатор накапливает энергию?
Когда вы поднимаетесь по лестнице или в горы, вы совершаете работу против гравитационного поля Земли. Очень похожая вещь происходит в конденсаторе. Если у вас есть положительный электрический заряд и отрицательный электрический заряд, они притягиваются друг к другу, как противоположные полюса двух магнитов—или как твое тело и землю. Если вы разнимите их, вы должны «делать работу» против электростатических сил. После того, как вы разделили заряды, у вас появляется электрическая потенциальная энергия. Две пластины конденсатора держат разноименные заряды и расстояние между ними создает электрическое поле. Поэтому конденсатор хранит энергию.
Накопление заряда в облаке
Мир технологий
Новости из мира Энергетики, Электроники, GSM, CDMA, 3G, 4G, WiFi, GPS, ГЛОНАСС, Galileo и других новых технологий
Новый бумагоподобный материал способен накапливать большой электрический заряд
Исследователи из шведского Университета Линчепинга создали новый материал, напоминающий бумагу, который может накапливать большой электрический заряд. Для его изготовления ученые используют токопроводящий полимер и наноцелюллозу, и благодаря своим свойствам его уместно применять для изготовления суперконденсаторов. Согласно результатов экспериментов, небольшой 15-сантиметровый кружок материала толщиной всего в несколько нанометров может накопить заряд емкостью в 1 Ф. Для накопления заряда такой величины достаточно всего нескольких секунд, а способность заряжаться и отдавать накопленную емкость материал не утрачивает даже после нескольких сотен циклов перезарядки.
Основой для нового суперконденсирующего материала послужила наноцеллюлоза. Ее получают в водной среде под высоким давлением, расщепляя исходный материал на отдельные волокна толщиной порядка 20 нанометров. Добавляя в водный раствор специальный полимер, исследователи создают на поверхности волокон тонкую пленку. В качестве электролита выступают частицы воды, находящиеся в растворе.
По словам Ксавье Криспина, профессора органической электроники, используемый в новом материале принцип тонких пленок, обладающих свойствами конденсатора, уже известен в науке. Авторам нового материала удалось создать трехмерную структуру с ярко выраженными свойствами суперконденсатора. К тому же, по словам ученых, они могут делать такой материал любой необходимой толщины.
Разработанный исследователями материал оказался настолько прочным, что ученые даже пробовали складывать из него различные оригами. При этом материал не рвался и сохранял все свои свойства. К тому же для производства такого материала не нужны какие-то особые условия производства, а вредное влияние на окружающую среду оказывается минимальным. Да и стоимость его производства также оказывается невысокой.
Интересен также и тот факт, что новый материал сумел установить сразу 4 рекорда среди подобных органических проводников. Он обладает наивысшей на текущий момент для органических материалов электрической емкостью и зарядом, силой тока, одновременной ионной и электронной проводимостью при минимальном электрическом сопротивлении проводника.
В планах у исследовательской группы стоят дальнейшие работы по улучшению свойств нового вещества, а также разработка технологии для запуска промышленного производства материала и изделий из него.
Вообще интерес к суперкондесаторам в последнее время возрастает благодаря общей мировой тенденции перехода на электромобили. Суперконденсаторы представляют из себя неплохую альтернативу литий-ионным аккумуляторам из-за способности быстрой зарядки и возможности накапления значительного электрического заряда. Ученые из Южной Кореи недавно заявили о создании суперкондесаторов с улучшенными характеристиками благодаря применению в них специализированных углеродистых материалов. Исследователи получают такой материал из использованныхсигаретных фильтров, благодаря чему также снижается уровень загрязнения окружающей среды.
Технология. 5 класс
Аккумулирующие устройства
Установите соответствие объекта и аккумулирующего устройства.
Сохранение энергии
Впишите недостающее слово.
– устройство, с помощью которого накапливают и сохраняют энергию.
Первый грузовой аккумулятор
Выберите правильный вариант ответа.
Что можно считать самым первым грузовым аккумулятором?
Накопители энергии
Решите кроссворд. Ответы вписывайте строчными буквами.
Энергонакопители
Выберите несколько вариантов ответа.
Что является энергонакопителем?
Накопление энергии
Выделите зелёным цветом правильное высказывание.
Маятник Ньютона предназначен для демонстрации преобразования энергии различных видов друг в друга.
Удары примитивными орудиями труда нельзя считать передачей и аккумулированием механической энергии.
Пружина
Заполните пропуски в тексте, выбрав правильные варианты ответа из выпадающего меню.
Энергонакопители
Подчеркните правильное утверждение.
1. Аккумуляторная батарея не является энергонакопителем.
Аккумулятор
Зачеркните то, что не может быть аккумулятором.
гиря в механических весах
спиральная пружина в игрушке.
Накопитель
Этот тип накопителя запасает энергию в виде потенциальной энергии воды, поднятой на высоту.
Аккумулирование энергии
Восстановите части текста в правильной последовательности.
А устройства, с помощью которых накапливают и сохраняют энергию, называются аккумуляторами.
Такое накопление энергии называется аккумулированием.
Механическую энергию можно накапливать, чтобы потом было удобнее и быстрее использовать.