Диэлектрик - накопитель энергии

on 30 July 2018.

Сейчас известны и широко применяемы емкостные накопители энергии – это конденсаторы.

Электрической емкостью называется способность проводника накапливать электрические заряды.

Но накапливать заряды может быть и диэлектрик!

Начиналось же исследование электричества с изоляторов, диэлектриков. Натирали янтарь и наблюдали, как он притягивает частицы, волосы, пергамент. Кстати, и слово «электричество» происходит от «электрон» – по-гречески янтарь.

Эрих фон Герике натирал вращающийся стеклянный шар. И получал значительные заряды! Баловались от скуки с горожанами безопасной разрядной искрой (ведь ток был ничтожен!). Но потом изобрели лейденскую банку - конденсатор с металлическими обкладками - и баловство стало издевательством, можно было и богу душу отдать при разряде.

Кулон исследовал взаимодействие шариков из сердцевины бузины. Эта пористое легкое вещество, которое могло принимать и накапливать заряды. Представляете, закон Кулона выведен на основании наблюдения за шариками из бузины! Быть может, из него (высушенного и растертого в порошок, затем спрессованного) получится хороший накопитель зарядов.

Автор работал в лаборатории по изготовлению высоковольтных конденсаторов. Интереснейший факт: если зарядить, а потом разрядить конденсатор, то на его обкладках опять скапливался заряд. Причем очень приличный! До зарядного (5000 В) напряжение не поднималось, но било очень здорово! Причем, так можно было делать десятки раз! Поэтому строго требовалось закорачивать, соединять обкладки конденсатора проводником (мера безопасности). Хранить их требовалось только с перемычкой!  И даже по прошествии длительного времени (дни, недели!), когда снимали перемычку, готовили к работе, но не подключали к установке (часы), при замыкании была искра. Это какой же величины был внутренний заряд? Никто ничего не измерял, отделывались отговорками о поляризации… Великолепное доказательство присутствия емкости у диэлектрика! Какие замечательные явления, факты были рядом, и никто не сделал должных выводов!

Основное участие в работе современного конденсатора принимают обкладки из проводника: и заряд их и разряд с них происходит быстро, практически мгновенно (лишь параметры внешней цепи - сопротивления или индуктивности - играют роль). Емкость конденсаторов сейчас измеряют, как правило, так: генератор (на 2 кГц) подает напряжение на конденсатор, по величине тока (которая тем больше, чем больше емкость) делают заключение о емкости. Но так нельзя измерить истинную емкость!

Делать надо так: конденсатор часами заряжается, затем разряжается (снимается заряд с обкладок) и ставится на разряд через микроамперметр, одновременно засекается время. Ток будет мал, так как сопротивление диэлектрика десятки и тысячи Мом. Можно давать зарядам время перетечь на обкладки проводники, а затем разряжать на более грубый прибор. Но тогда так придется делать несколько раз. Затем ток умножается на время, и получаем запасенный заряд.

Определить иначе эту диэлектрическую емкость невозможно, потому что и заряд и разряд ее происходит за очень большое время.

Или кулонометром измерять заряд. Или микроамперметром с секундомером.

Такие конденсаторы будут иметь две емкости: 1. «быструю», на проводящих обкладках, 2. «медленную», внутри диэлектрика.

Аккумуляторы мы заряжаем током при низком напряжении. Конденсаторы-накопители мы должны заряжать высоким напряжением при малом токе. Конечно, первый заряд, заряд «быстрой емкости» пройдет за секунды – так мы зарядим проводящие фольговые обкладки. Но второй заряд, заряд «медленной емкости» будет происходить, быть может, часами. Ведь ток, который будет вбивать электроны в диэлектрик с отрицательной обкладки (и высасывать электроны из диэлектрика у противоположной обкладки) ничтожен.

Конденсатор должен быть полярным!

И электродные пластины разные для (+) и (–) или по крайней мере с напылением из металлов, максимально удаленных друг от друга в электрохимическом ряде напряжений: Li, К, Rb, Ba, Sr, Ca, Na, Се, Mg, Be, Al, Ti, Mn, V, Zn, Cr, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Sn, Pb, H2, Bi, Cu, Hg, Ag, Pt, O2, Au.

Пусть, например, при заряде мы насытили диэлектрик около катода электронами. После разряда конденсатора электроны тем легче пойдут на этот проводник, чем больше у него будет работа выхода (Обкладка, естественно, зарядится отрицательно.). У анода, наоборот, в диэлектрике будет наблюдаться недостаток электронов. И легче их будет забрать у того проводника, который обладает малой работой выхода. (Проводник-обкладка, естественно, зарядится положительно).

И диэлектрики ведь есть разные: одни легко отдают электроны, другие значительно хуже, и даже сами норовят при взаимодействии перетянуть их к себе.

В диэлектрике нет свободных электронов. Происходит или поляризация молекул, их принудительная ориентация, или все-таки дрейф электронов из обкладок. Так получают электреты. Механизм, каков бы он ни был, позволяет накопить и отобрать энергию из диэлектрика. Подбор материалов – вот основная задача.

Известны ионисторы и суперконденсаторы, которые имеют емкости от 1 до 10000 Фарад. Но рабочее напряжение их до 3 Вольт. Если при аналогичной емкости поднять рабочее напряжение на порядок, то на два порядка вырастет запасенная энергия.

Выводы.

Конденсатор с диэлектрической емкостью будет заряжаться высоким напряжением. Время зарядки будет значительно. Диэлектрик будет в разы толще, чем у обычного конденсатора. Диэлектрик будет многослойным. Пластины-обкладки будут из разных металлов. После зарядки «быстрая емкость» будет принудительно разряжаться (она ничтожна по сравнению с «медленной емкостью», но представляет опасность).

Сейчас есть множество видов конденсаторов: пленочные, бумажно-пленочные, электролитические, керамические, сегнетоэлектрические, и др. Взяв конденсаторы наибольшей емкости от каждого вида, зарядив их длительно, разрядив и поставив на разряд, можно наметить наиболее перспективные для дальнейшей работы и исследований.

Энергия, накопленная в диэлектрике, в миллионы раз превышает энергию на проводящих обкладках. Научиться использовать эту энергию - задача достойная.