Condensador de agua - Water capacitor

Representación gráfica de un generador Marx acoplado inductivamente , basado en condensadores de agua. El azul es el agua entre las placas, y las bolas en la columna central son las vías de chispas que se rompen para permitir que los condensadores se carguen en paralelo y se descarguen rápidamente en serie.

Un condensador de agua es un dispositivo que utiliza agua como medio aislante dieléctrico .

Teoría de operación

Un condensador es un dispositivo en el que se introduce energía eléctrica y se puede almacenar para un tiempo posterior. Un condensador consta de dos conductores separados por una región no conductora. La región no conductora se llama aislante dieléctrico o eléctrico. Ejemplos de medios dieléctricos tradicionales son aire, papel y ciertos semiconductores. Un condensador es un sistema autónomo, está aislado sin carga eléctrica neta. Los conductores deben tener cargas iguales y opuestas en sus superficies enfrentadas.

Agua como dieléctrico

Los condensadores convencionales utilizan materiales como el vidrio o la cerámica como medio aislante para almacenar una carga eléctrica . Los condensadores de agua se crearon principalmente como un elemento novedoso o para la experimentación de laboratorio, y se pueden fabricar con materiales simples. El agua exhibe la cualidad de ser autocurativo; si hay una avería eléctrica a través del agua, vuelve rápidamente a su estado original y sin daños. Otros aislantes líquidos son propensos a la carbonización después de la ruptura y tienden a perder su resistencia de retención con el tiempo.

El inconveniente de usar agua es el corto período de tiempo que puede contener el voltaje, generalmente en el rango de microsegundos a diez microsegundos (μs). El agua desionizada es relativamente barata y segura para el medio ambiente. Estas características, junto con la alta constante dieléctrica , hacen que el agua sea una excelente opción para construir condensadores grandes. Si se puede encontrar una manera de aumentar de manera confiable el tiempo de espera para una intensidad de campo determinada, habrá más aplicaciones para los condensadores de agua.

Se ha demostrado que el agua no es una sustancia muy fiable para almacenar carga eléctrica a largo plazo, por lo que se utilizan materiales más fiables para los condensadores en aplicaciones industriales. Sin embargo, el agua tiene la ventaja de ser autocurativo después de una ruptura, y si el agua circula de manera constante a través de una resina desionizante y filtros, entonces la resistencia a la pérdida y el comportamiento dieléctrico se pueden estabilizar. Por lo tanto, en ciertas situaciones inusuales, como la generación de un voltaje extremadamente alto pero pulsos muy cortos, un condensador de agua puede ser una solución práctica, como en un generador de pulsos de rayos X experimental.

Un material dieléctrico se define como un material que es un aislante eléctrico. Un aislante eléctrico es un material que no permite el flujo de carga. La carga puede fluir como electrones o especies químicas iónicas. Según esta definición, el agua líquida no es un aislante eléctrico y, por tanto, el agua líquida no es un dieléctrico. La autoionización del agua es un proceso en el que una pequeña proporción de moléculas de agua se disocian en iones positivos y negativos. Es este proceso el que le da al agua líquida pura su conductividad eléctrica inherente.

Debido a la autoionización, a temperatura ambiente, el agua líquida pura tiene una concentración de portador de carga intrínseca similar al germanio semiconductor y una concentración de portador de carga intrínseca tres órdenes de magnitud mayor que el silicio semiconductor, por lo tanto, según la concentración de portador de carga, el agua no puede ser considerado un material puramente dieléctrico o un aislante eléctrico completo, pero un conductor de carga limitado.

Experimental

Se ha medido la descarga de un condensador de placas paralelas de platino colocado en un recipiente lleno de agua ultrapura. La tendencia de descarga observada podría describirse mediante una ecuación de Poisson-Boltzmann modificada solo cuando el voltaje era muy bajo. y la capacitancia del sistema mostró una dependencia del espacio entre las dos placas de platino. La permitividad del agua, calculada considerando el sistema como un condensador plano, pareció ser muy alta. Este comportamiento puede explicarse por la teoría de los materiales super dieléctricos. La teoría de los materiales súper dieléctricos y las pruebas simples demostraron que el material en el exterior de un capacitor de placas paralelas aumenta dramáticamente la capacitancia, la densidad de energía y la densidad de potencia. Los condensadores de placas paralelas simples con solo aire ambiente entre las placas se comportaron según la teoría estándar. Una vez que el mismo condensador se sumergió parcialmente en agua desionizada (DI), o DI con bajas concentraciones de NaCl disuelto, aún con solo aire ambiental entre los electrodos, la capacitancia, la densidad de energía y la densidad de potencia, a baja frecuencia, aumentaron en más de siete órdenes de magnitud. En particular, la teoría convencional excluye la posibilidad de que el material fuera del volumen entre las placas afecte de alguna manera el comportamiento capacitivo.

Se examinó el efecto de aplicar voltajes de 0,1 a 0,82 V en agua pura entre electrodos metálicos. Se siguió el movimiento de los iones hidronio y los iones hidróxido hacia el ánodo. Este movimiento dio como resultado la formación de una doble capa de iones con un campo eléctrico en fuerte aumento y un pH máximo de aproximadamente 12. En el cátodo, ocurrió lo contrario y el pH alcanzó un mínimo de aproximadamente 1,7.

La transición del apantallamiento conductivo al dieléctrico de campos eléctricos mediante un tubo de agua pura se ha investigado utilizando un condensador de placas paralelas que se utilizó para generar un campo eléctrico uniforme. Dos tubos concéntricos de plexiglás acrílico pasaron perpendicularmente a través del campo eléctrico generado entre las placas. La región entre los tubos se llenó de aire o agua. Se utilizó un electrodo, suspendido dentro del tubo interior de plexiglás, para detectar el potencial eléctrico en su ubicación. El sensor se diseñó para poder girarlo para medir el potencial en una segunda posición simétrica. A partir de la diferencia en los dos potenciales, se pudo determinar la dependencia de la frecuencia de la magnitud y fase del campo eléctrico. Con agua desionizada entre los tubos, se midió la magnitud y la fase del campo eléctrico interior de 100 Hz a 300 kHz. Se observó la respuesta de frecuencia del filtro de paso alto esperada para un tubo dieléctrico con conductividad no despreciable. Los ajustes a los datos arrojaron un valor experimental muy razonable para la relación entre la conductividad del agua y su constante dieléctrica. El modelo también predijo que a frecuencia cero (un campo eléctrico estático) se esperaría que el agua pura se comportara como una jaula de Faraday .

Aplicaciones

Se crea un tipo simple de condensador de agua utilizando frascos de vidrio llenos de agua y algún tipo de material aislante para cubrir los extremos del frasco. Los condensadores de agua no se utilizan mucho en la comunidad industrial debido a su gran tamaño físico para una capacitancia determinada. La conductividad del agua puede cambiar muy rápidamente y es impredecible si se deja abierta a la atmósfera. Se ha demostrado que muchas variables como la temperatura, los niveles de pH y la salinidad alteran la conductividad en el agua. Como resultado, existen mejores alternativas al condensador de agua en la mayoría de las aplicaciones.

El voltaje soportado por pulsos de agua cuidadosamente purificada puede ser muy alto, más de 100 kV / cm (en comparación con aproximadamente 10 cm para el mismo voltaje en aire seco).

Un condensador está diseñado para almacenar energía eléctrica cuando se desconecta de su fuente de carga. En comparación con los dispositivos más convencionales, los condensadores de agua actualmente no son dispositivos prácticos para aplicaciones industriales. La capacitancia se puede aumentar mediante la adición de electrolitos y minerales al agua, pero esto aumenta la autofrenación y no se puede hacer más allá de su punto de saturación.

Riesgos y beneficios

Los condensadores modernos de alto voltaje pueden retener su carga mucho tiempo después de que se desconecta la alimentación. Esta carga puede causar descargas eléctricas peligrosas, o incluso potencialmente fatales, si la energía almacenada es superior a unos pocos julios . A niveles mucho más bajos, la energía almacenada aún puede causar daños a los equipos conectados. Los condensadores de agua, que se descargan automáticamente, (para agua totalmente pura, solo ionizada térmicamente, a 25 ° C (77 ° F), la relación de conductividad a permitividad significa que el tiempo de autodescarga es de alrededor de 180 μs, más rápido con temperaturas más altas o impurezas disueltas) generalmente No se puede hacer que almacene suficiente energía eléctrica residual como para causar lesiones corporales graves.

A diferencia de muchos condensadores industriales grandes de alto voltaje, los condensadores de agua no requieren aceite. El aceite que se encuentra en muchos diseños más antiguos de condensadores puede ser tóxico tanto para los animales como para los seres humanos. Si un condensador se abre y se libera su aceite, el aceite a menudo llega a la capa freática , lo que puede causar problemas de salud con el tiempo.

Historia

Los condensadores se remontan originalmente a un dispositivo llamado tarro de Leyden , creado por el físico holandés Pieter van Musschenbroek . El frasco de Leyden consistía en un frasco de vidrio con capas de papel de aluminio en el interior y el exterior del frasco. Se conectó directamente un electrodo de varilla a la incrustación de papel de aluminio por medio de una pequeña cadena o alambre. Este dispositivo almacenaba la electricidad estática creada cuando el ámbar y la lana se frotaban.

Aunque el diseño y los materiales utilizados en los condensadores han cambiado mucho a lo largo de la historia, los fundamentos básicos siguen siendo los mismos. En general, los condensadores son dispositivos eléctricos muy simples que pueden tener muchos usos en el mundo tecnológicamente avanzado de hoy. Un condensador moderno generalmente consta de dos placas conductoras intercaladas alrededor de un aislante. El investigador eléctrico Nicola Tesla describió los condensadores como el "equivalente eléctrico de la dinamita".

Notas

Referencias