Диэлектрик - накопитель энергии

on 30 July 2018.

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

Электрической емкостью называется способность проводника накапливать электрические заряды.

Но накапливать заряды может и диэлектрик!

Емкость  проводящего шара радиусом 1 метр равна 0,14 нано  Фарад, (нано =10 -9).

Емкость шара радиусом 5 метров равна 0,695 нано Фарад.

При напряжении 1000 000 Вольт запасенные заряды будут  0,14*10 -3 Кулон и 0,695 *10-3 Кулон.

Тогда как электретные пленки имеют плотность заряда 10-4  - 10-5 Кулон на метр квадратный! Причем есть и лучшие! Например, пленка  ПЭТФ толщиной 5 мкм может нести заряд 10-3 Кулона, а толщиной 1 мкм - 10-2 Кулона на метр квадратный! Дальнейшее увеличение плотности заряда невозможно, происходит пробой на воздух. Но это говорит лишь о том, что и создавать и хранить электрет надо в других условиях!

Тончайшая пленка площадью всего 1 м2! накапливает заряд больший, чем огромный металлический шар при высоком напряжении!

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 кулонометр. Ток будет мал, так как сопротивление диэлектрика десятки и тысячи МОм, поэтому время будет велико (дни и месяцы). Можно давать зарядам время перетечь на обкладки проводники, а затем разряжать на более грубый прибор (миллиамперметр) и засекать время. 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. Причем "быстрая" емкость на обкладках в миллионы раз меньше "медленной" емкости на диэлектрике!

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 и сутками. Ведь ток, который будет вбивать электроны в диэлектрик с отрицательной обкладки (и высасывать электроны из диэлектрика у противоположной обкладки) ничтожен.

Кроме того, хорошо, когда конденсатор будет полярным!

И электродные пластины разные для (+) и (–) или по крайней мере с напылением из металлов, максимально удаленных друг от друга в электрохимическом ряду 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 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. При заряде происходит или поляризация молекул, их принудительная ориентация, или дрейф электронов из обкладок (нет тока по всему объему диэлектрика, потому что в нем нет свободных электронов!) Так получают электреты. Механизм, каков бы он ни был, позволяет накопить энергию в диэлектрике. Но логика подсказывает, что появление зарядов на обкладках не может быть следствием поляризации: при поляризации не будет тока! Только накоплением  избыточных зарядов на диэлектрике, а затем их медленным стеканием на обкладки можно объяснить  возникновение разности потенциалов и ток при разряде.

Скорость электронов в диэлектрике (ток - это направленное движение электронов) ничтожна. Даже в хороших проводника - металлах упорядоченная скорость электронов под действием электрического поля достигает долей миллиметра в секунду. Что же говорить о диэлектриках, которые мы считаем изоляторами! Доли микрона в секунду! В тысячи, в миллионы раз меньше, чем в металлах! Поэтому и заряд диэлектрика надо производить часами, сутками, месяцами!

Но и разряд диэлектрика, потеря им заряда происходит годами, десятилетиями! Лучшие электреты (диэлектрики, несущие заряд) теряют свойства через 50 лет!

Предпочтение следует отдавать многослойным диэлектрикам. Можно подобрать такие диэлектрики (соприкасающиеся пары), на которых удастся воссоздать р-н переход (или его подобие)! Это позволит ускорить процесс разряда, увеличить ток до необходимого уровня. То есть при заряде мы нахально набиваем диэлектрик электронами за счет высокого напряжения. А при разряде мы обеспечиваем электронам комфортное течение к электродам за счет 1) разных металлов обкладок, то есть созданием предварительного электрического поля 2) подобием р-н перехода, открытого для дрейфа (диффузии) электронов к обкладкам.

 

Подбор материалов – вот основная задача. Необходимо обеспечить ускоренный разряд диэлектрика. Уменьшение времени заряда мы можем обеспечить увеличением напряжения.

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, потому что нам не интересна "быстрая емкость"обкладок. 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 образцы 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.