Kondensator drutowy. Domowy laser - kondensator wysokiego napięcia

Jak zrobić kondensator?

Wynalazca żyje w duszy każdego z nas, dlatego krótkofalarstwo jest dość popularnym hobby. Produkcja własna komponenty radiowe - jeden z najciekawszych komponentów tego hobby. W tym artykule porozmawiamy o tym, jak zrobić kondensator własnymi rękami w domu.

materiały

Aby zrobić kondensator, potrzebujemy:

folia,
żelazo,
papier papirusowy,
parafina,
zapalniczka.

Folia nie wymaga dodatkowego przygotowania, ale przy pomocy trzech ostatnich składników musimy zrobić papier woskowany.

Produkcja

Tak więc materiały są przygotowane, zabierzmy się do pracy:

Podgrzewamy parafinę i starannie obrabiamy papier papirusowy.
Składamy go w „akordeon”, którego szerokość każdej sekcji wynosi około 30 mm. Liczba warstw harmonijki określa pojemność kondensatora, każda warstwa odpowiada około 100 pF.
W każdej sekcji kładziemy kawałek folii o powierzchni 30 na 45 mm.
Składamy akordeon i prasujemy ciepłym żelazkiem.
Wszystko, kondensator jest gotowy! Wystające kawałki folii to styki połączeniowe naszego kondensatora, przez które można go podłączyć do obwodu.

Dostaliśmy najprostszy kondensator domowy, przy czym warto zauważyć, że im grubsza i lepsza folia, tym wyższe będzie napięcie. Zwracamy jednak uwagę na to, że lepiej nie próbować robić w domu kondensatora, który może wytrzymać więcej niż 50 kV. "Profesjonaliści amatorzy" radzą, jeśli chcesz zbliżyć się do tej wartości, użyj worków do laminacji jako dielektryka, ale do ich ogrzania potrzebny będzie laminator.

Ten element jest słusznie uważany za super uniwersalny, ponieważ może być jednocześnie używany do produkcji i naprawy szerokiej gamy urządzeń. I nawet jeśli nie jest trudno go kupić w gotowej formie, wielu amatorskich rzemieślników chętnie eksperymentuje, próbując lub nawet z powodzeniem wytwarzając kondensator własnymi rękami. Wszystko, co jest potrzebne do stworzenia kondensatora domowej roboty, zostało szczegółowo opisane powyżej i w zasadzie nie powinno być żadnych trudności z żadnym z niezbędnych elementów, ponieważ można je znaleźć w gospodarstwie lub, w najgorszym przypadku, w wolnej sprzedaży . Jedynym wyjątkiem może być papier parafinowy, który zwykle wytwarzany jest niezależnie przy użyciu takich materiałów jak parafina, papirus i jednorazowa zapalniczka (alternatywnie można użyć dowolnego innego bezpiecznego źródła otwartego ognia).

Tak więc, aby prawidłowo obrobić papier, należy ostrożnie podgrzać parafinę w ogniu i chodzić jej zmiękczoną częścią po całej powierzchni papirusu z obu stron. Po zakończeniu pracy i prawidłowym związaniu materiału powstałą parafinę należy złożyć za pomocą harmonijki (czyli przesuwanie poprzeczne). Technika jest powszechna, ale polega na utrzymywaniu pewnego kroku (co trzy centymetry) i aby linia zagięcia była jak najdokładniejsza, zaleca się obrysowanie pierwszego paska zwykłym ołówkiem jeszcze przed inicjalizacją. Możesz kontynuować w tym samym tonie, całkowicie wyciągając cały arkusz, lub możesz działać, skupiając się wyłącznie na pierwszym segmencie (wygodnym dla Ciebie). Jeśli chodzi o liczbę wymaganych warstw, wskaźnik ten zależy wyłącznie od pojemności przyszłego produktu.

Na tym etapie uformowany akordeon należy odłożyć na chwilę, aby przystąpić do przygotowania prostokątnych kawałków folii, których wymiary powinny odpowiadać w tym przypadku danym 3 na 4,5 centymetra. Te półfabrykaty są niezbędne do wykonania metalowej warstwy kondensatora, dlatego pod koniec powyższej pracy folię wkłada się do wszystkich warstw akordeonu, upewniając się, że pasuje równomiernie, po czym przystępują do prasowania złożonego półfabrykatu z konwencjonalnym żelazkiem. Parafina i folia powinny spełniać swoje zadanie, zapewniając między sobą silne wiązanie (inne metody lutowania kondensatora w domu nie są praktykowane), po czym kondensator można uznać za absolutnie gotowy. Jeśli chodzi o elementy foliowe wystające poza dawny akordeon, nie powinno to budzić niepokoju, ponieważ pełnią one rolę styków łączących.

To za pomocą tych małych fragmentów własnymi rękami kondensator można w pełni wykorzystać, podłączając go do obwodu elektrycznego. Oczywiście mówimy o prymitywnym urządzeniu i aby w jakiś sposób zwiększyć jego wydajność, konieczne jest zastosowanie folii wyższej jakości o dużej gęstości, choć tutaj niezwykle ważne jest, aby nie przesadzić, ponieważ istnieją pewne ograniczenia dotyczące napięcie używane w rzemiośle dla dorosłych tego rodzaju. Na przykład lepiej nie eksperymentować, próbując zrobić kondensator własnymi rękami, który może przyjąć zbyt wysokie napięcie (ponad 50 woltów), chociaż niektórym „domowym” udaje się obejść tę stronę problemu dzięki zastosowaniu worków do laminacji zamiast standardowych dielektryków, a także laminatora do bezpiecznego lutowania.

Istnieje kilka innych metod wykonania kondensatora domowej roboty, a jedna z nich polega na pracy z wyższym napięciem. Można mu przypisać słynną technikę „Szkło”, której nazwa pochodzi od użytego improwizowanego narzędzia - szkła fasetowanego. Ten element jest niezbędny do oklejenia folią z wewnętrzną i poza i należy to zrobić w taki sposób, aby fragmenty użytego materiału nie stykały się ze sobą. Sam projekt w już „złożonej” formie koniecznie zapewnia obecność materiałów eksploatacyjnych, po czym można go uznać za całkowicie gotowy do użycia zgodnie z jego przeznaczeniem. Jednocześnie podczas jego włączania do obwodu należy uważnie przestrzegać wszystkich niezbędnych środków bezpieczeństwa, aby uniknąć możliwych negatywnych konsekwencji.

Alternatywnie możesz spróbować zrobić własne ręce i bardziej zaawansowany projekt, używając improwizowanych środków, takich jak szklane płytki o tym samym rozmiarze, ta sama dobra stara folia o dużej gęstości i epoksydowa żywica zaprojektowane tak, aby bezpiecznie łączyć ze sobą wymienione materiały. Niewątpliwą zaletą takiego kondensatora domowej roboty jest to, że jest w stanie wykonać więcej jakość pracy, jak mówią, „bez awarii”. Jednak jak wiadomo beczka miodu zwykle nie obywa się bez muchy w maści i w tym przypadku bezpośrednio odnosi się do jednej istotnej wady tego wynalazku, która tkwi w jej ponad imponujących wymiarach, co sprawia, że trzymanie takiego "kolos" w domu niezbyt wygodny i racjonalny.

Wymagania dotyczące zmniejszenia rozmiaru komponentów radiowych przy jednoczesnym ich zwiększeniu Specyfikacja techniczna doprowadziło do pojawienia się dużej liczby urządzeń, które są dziś używane wszędzie. To w pełni wpłynęło na kondensatory. Tak zwane jonizatory lub superkondensatory to elementy o dużej pojemności (zakres tego wskaźnika jest dość szeroki od 0,01 do 30 faradów) o napięciu ładowania od 3 do 30 woltów. Jednak ich rozmiar jest bardzo mały. A ponieważ przedmiotem naszej rozmowy jest jonista typu „zrób to sam”, konieczne jest przede wszystkim zajęcie się samym żywiołem, czyli tym, czym jest.

Cechy konstrukcyjne ionistr

W rzeczywistości jest to zwykły kondensator o dużej pojemności. Ale jonizatory mają dużą rezystancję, ponieważ element jest oparty na elektrolicie. To jest pierwszy. Drugi to małe napięcie ładowania. Chodzi o to, że w tym superkondensatorze płytki znajdują się bardzo blisko siebie. To jest właśnie powód obniżonego napięcia, ale z tego powodu wzrasta pojemność kondensatora.

Jonostry fabryczne wykonane są z różnych materiałów. Wykładziny są zwykle wykonane z folii, która ogranicza suchą substancję działania oddzielającego. Na przykład węgiel aktywny (do dużych płyt), tlenki metali, substancje polimerowe o wysokiej przewodności elektrycznej.

Ionistr zbieramy własnymi rękami

Montaż jonistra własnymi rękami nie jest najłatwiejszą rzeczą, ale nadal możesz to zrobić w domu. Istnieje kilka projektów, w których są różne materiały. Oferujemy jeden z nich. Do tego będziesz potrzebować:

metalowy słoik na kawę (50 g);
węgiel aktywny sprzedawany w aptekach można zastąpić kruszonymi elektrodami węglowymi;
dwa kręgi z blachy miedzianej;
wata

Pierwszym krokiem jest przygotowanie elektrolitu. Aby to zrobić, musisz najpierw zmielić węgiel aktywny na proszek. Następnie przygotuj roztwór soli, do którego musisz dodać 25 g soli do 100 g wody i dobrze wymieszaj. Następnie do roztworu stopniowo dodaje się proszek węgla aktywnego. Jego ilość decyduje o konsystencji elektrolitu, powinien być tak gęsty jak kit.

Następnie gotowy elektrolit nakłada się na miedziane kręgi (z jednej strony). Należy pamiętać, że im grubsza warstwa elektrolitu, tym większa pojemność jonizatora. I jeszcze jedno, grubość nałożonego elektrolitu na dwa koła powinna być taka sama. Czyli elektrody są gotowe, teraz trzeba je odgraniczyć materiałem, który przepuszcza prąd elektryczny, ale nie przepuszcza pyłu węglowego. Do tego używa się zwykłej waty, chociaż jest tu wiele opcji. Grubość warstwy bawełny określa średnicę metalowego dzbanka na kawę, czyli cała ta struktura elektrody powinna się w nim wygodnie mieścić. Stąd w zasadzie konieczne jest dobranie wymiarów samych elektrod (koła miedziane).

Pozostaje tylko podłączyć same elektrody do zacisków. Wszystko, samodzielny jonistr, a nawet w domu, jest gotowe. Ta konstrukcja nie ma bardzo dużej pojemności - nie więcej niż 0,3 farada, a napięcie ładowania wynosi tylko jeden wolt, ale to prawdziwy jonistr.

Wniosek na ten temat

Co jeszcze można powiedzieć o tym elemencie. Jeśli porównamy to na przykład z baterią niklowo-metalowo-wodorkową, to jonistr może z łatwością utrzymać dopływ energii elektrycznej do 10% mocy baterii. Ponadto spadek napięcia w nim następuje liniowo, a nie nagle. Ale poziom naładowania elementu zależy od jego przeznaczenia technologicznego.

Strukturalnie jest to „kanapka” z dwóch przewodników i dielektryka, którym może być próżnia, gaz, ciecz, organiczne lub nieorganiczne ciało stałe. Pierwsze domowe kondensatory (szklane słoiki ze śrutem, sklejone folią) wykonali w 1752 roku M. Łomonosow i G. Richter.

Co może być ciekawego w kondensatorze? Rozpoczynając ten artykuł, pomyślałem, że mógłbym zebrać i podsumować wszystko na temat tego prymitywnego szczegółu. Ale jak poznałem kondensator, zdziwiło mnie, że nie da się wyjawić nawet setnej części wszystkich ukrytych w nim tajemnic i cudów...

Kondensator ma już ponad 250 lat, ale nawet nie myśli o staniu się przestarzałym.. Ponadto 1 kg „zwykłych prostych kondensatorów” magazynuje mniej energii niż kilogram baterii czy ogniw paliwowych, ale jest w stanie ją oddać szybciej niż oni, jednocześnie rozwijając więcej mocy. - Dzięki szybkiemu rozładowaniu kondensatora można uzyskać impuls o dużej mocy, na przykład w błyskach fotograficznych, laserach impulsowych z pompowaniem optycznym i zderzaczach. Kondensatory są w prawie każdym urządzeniu, więc jeśli nie masz nowych kondensatorów, możesz je wyrzucić do eksperymentów.

Ładowanie kondensatora jest wartością bezwzględną ładunku jednej z jego płyt. Jest mierzony w wisiorkach i jest proporcjonalny do liczby dodatkowych (-) lub brakujących (+) elektronów. Aby zebrać ładunek 1 wisiorka, potrzebujesz 6241509647120420000 elektronów. W bańce wodorowej wielkości główki zapałki jest ich mniej więcej tyle samo.

Ponieważ zdolność gromadzenia ładunków na elektrodzie jest ograniczona przez ich wzajemne odpychanie, ich przeniesienie na elektrodę nie może być nieskończone. Jak każdy magazyn, kondensator ma dobrze określoną pojemność. Tak to się nazywa - pojemność elektryczna. Jest mierzony w faradach i dla płaskiego kondensatora z płytkami o powierzchni S(każdy) znajduje się w pewnej odległości D, pojemność wynosi Sε 0 ε/d(w S>> D), gdzie ε jest przenikalnością względną, i ε 0 =8,85418781762039 * 10 -12 .

Pojemność kondensatora również jest q/U, gdzie Q jest ładunek dodatni, U to napięcie między płytami. Pojemność zależy od geometrii kondensatora i stałej dielektrycznej dielektryka i nie zależy od ładunku płytek.

W naładowanym przewodniku ładunki starają się rozproszyć od siebie tak daleko, jak to możliwe i dlatego nie znajdują się w grubości kondensatora, ale w powierzchniowej warstwie metalu, jak warstwa benzyny na powierzchni wody. Jeśli dwa przewodniki tworzą kondensator, to te nadmiarowe ładunki są gromadzone naprzeciwko siebie. Dlatego prawie całe pole elektryczne kondensatora jest skoncentrowane między jego płytami.

Na każdej płytce ładunki są rozłożone tak, aby były z dala od sąsiadów. I są dość pojemne: w kondensatorze powietrznym o odległości między płytkami 1 mm, naładowanym do 120 V, średnia odległość między elektronami wynosi ponad 400 nanometrów, czyli tysiące razy większa niż odległość między atomami (0,1– 0,3 nm), a to oznacza, że istnieje tylko jeden dodatkowy (lub brakujący) elektron dla milionów atomów powierzchniowych.

Jeśli zmniejszyć odległość między płytami, wtedy siły przyciągania wzrosną, a przy tym samym napięciu ładunki na płytkach będą mogły „dogadać się” gęściej. Pojemność wzrośnie kondensator. Podobnie jak niczego niepodejrzewający profesor na Uniwersytecie Leiden van Muschenbroek. Zastąpił grubościenną butelkę pierwszego na świecie kondensatora (wynalezionego przez niemieckiego księdza von Kleista w 1745) cienkim szklanym słojem. Naładował go i dotknął, a budząc się dwa dni później, powiedział, że nie zgodzi się na powtórzenie eksperymentu, nawet jeśli obiecano za to francuskiemu królestwu.

Jeśli dielektryk zostanie umieszczony między płytkami, wówczas go polaryzują, to znaczy przyciągają przeciwne ładunki, z których się składa. W takim przypadku efekt będzie taki sam, jak gdyby płytki były bliżej. Dielektryk o wysokiej przenikalności względnej można uznać za dobry transporter pola elektrycznego. Ale żaden transporter nie jest doskonały, więc bez względu na to, jaki wspaniały dielektryk dodamy do istniejącego, pojemność kondensatora tylko się zmniejszy. Możesz zwiększyć pojemność tylko jeśli dodasz dielektryk (lub jeszcze lepiej - przewodnik) zamiast już istniejące, ale mające mniejsze ε.

W dielektrykach prawie nie ma wolnych ładunków. Wszystkie są utrwalone albo w sieci krystalicznej, albo w cząsteczkach - polarnych (reprezentujących dipole) lub nie. Jeśli nie ma pola zewnętrznego, dielektryk jest niespolaryzowany, dipole i wolne ładunki są rozproszone losowo, a dielektryk nie ma własnego pola. w polu elektrycznym jest spolaryzowany: dipole są zorientowane wzdłuż pola. Ponieważ dipoli molekularnych jest dużo, gdy są zorientowane, plusy i minusy sąsiednich dipoli wewnątrz dielektryka kompensują się nawzajem. Nieskompensowane pozostają tylko ładunki powierzchniowe - na jednej powierzchni - jednej, na drugiej - drugiej. Darmowe opłaty w polu zewnętrznym również dryfują i rozdzielają się.

W tym przypadku różne procesy polaryzacji przebiegają w różnym tempie. Jedna sprawa to przemieszczenie powłok elektronowych, które zachodzi niemal natychmiastowo, druga to rotacja molekuł, zwłaszcza dużych, a trzecia to migracja ładunków swobodnych. Ostatnie dwa procesy oczywiście zależą od temperatury i są znacznie szybsze w cieczach niż w ciałach stałych. Jeśli dielektryk zostanie podgrzany, rotacje dipoli i migracja ładunków przyspieszą. Jeśli pole jest wyłączone, depolaryzacja dielektryka również nie następuje natychmiast. Pozostaje spolaryzowany przez pewien czas, dopóki ruch termiczny nie rozproszy cząsteczek do ich pierwotnego stanu chaotycznego. Dlatego w przypadku kondensatorów, w których polaryzacja przełącza się z wysoką częstotliwością, odpowiednie są tylko dielektryki niepolarne: fluoroplastik, polipropylen.

Jeśli zdemontujesz naładowany kondensator, a następnie zmontujesz go ponownie (plastikową pęsetą), energia nigdzie nie pójdzie, a dioda LED będzie mogła migać. Będzie nawet migać, jeśli podłączysz go do kondensatora w stanie rozmontowanym. To zrozumiałe - podczas demontażu ładunek z płytek nigdzie nie poszedł, a napięcie nawet wzrosło, ponieważ pojemność spadła i teraz płytki pękają od ładunków. Poczekaj, jak wzrosło to napięcie, bo wtedy też wzrośnie energia? Rzeczywiście, daliśmy systemowi energię mechaniczną, pokonując przyciąganie kulombowskie płyt. Właściwie jest to sztuczka elektryzowania przez tarcie - zaczepić elektrony na odległość rzędu wielkości atomów i przeciągnąć je na odległość makroskopową, zwiększając w ten sposób napięcie z kilku woltów (a takie jest napięcie w wiązaniach chemicznych ) do dziesiątek i setek tysięcy woltów. Teraz jest jasne, dlaczego syntetyczna kurtka nie szokuje, gdy ją nosisz, a dopiero wtedy, gdy ją zdejmujesz? Przestań, dlaczego nie do miliardów? Decymetr jest miliard razy większy niż angstrem, na którym złapaliśmy elektrony? Tak, ponieważ praca przesuwania ładunku w polu elektrycznym jest równa całce z równania przez d, a to samo E słabnie kwadratowo wraz z odległością. A gdyby na całym decymetrze między płaszczem a nosem było takie samo pole jak wewnątrz molekuł, to miliard woltów klikałby na nosie.

Sprawdźmy to zjawisko - wzrost napięcia przy rozciągniętym kondensatorze - eksperymentalnie. Napisałem prosty program w języku Visual Basic do odbierania danych z naszego kontrolera PMK018 i wyświetlania ich na ekranie. Generalnie bierzemy dwie płytki tekstolitowe 200x150 mm pokryte jednostronnie folią i lutujemy przewody idące do modułu pomiarowego. Następnie nakładamy na jeden z nich dielektryk - kartkę papieru - i przykrywamy drugą płytką. Płytki nie pasują ciasno, dlatego dociskamy je od góry korpusem pisaka (jeśli naciśniesz ręką, możesz stworzyć interferencję).

Obwód pomiarowy jest prosty: potencjometr R1 ustawia napięcie (w naszym przypadku 3 V) dostarczane do kondensatora, a przycisk S1 służy do podania go na kondensator lub nie.

Wciśnij więc i puść przycisk - zobaczymy wykres pokazany po lewej stronie. Kondensator szybko się rozładowuje przez wejście oscyloskopu. Spróbujmy teraz zmniejszyć nacisk na płyty podczas rozładowania - na wykresie (po prawej) zobaczymy szczyt napięcia. To jest właśnie pożądany efekt. W tym przypadku zwiększa się odległość między płytami kondensatora, spada pojemność, a zatem kondensator zaczyna się rozładowywać jeszcze szybciej.

Tutaj poważnie się nad tym zastanowiłem.. Wygląda na to, że stoimy u progu wielkiego wynalazku... Przecież jeśli napięcie na nich wzrasta przy rozsuwaniu płytek, a ładunek pozostaje taki sam, to można wziąć dwa kondensatory, wciśnij płytki na jednym z nich, a w punkcie maksymalnego rozprężenia przenieś ładunek na stały kondensator. Następnie odłóż płytki na swoje miejsce i powtórz to samo w odwrotnej kolejności, odpychając drugi kondensator. Teoretycznie napięcie na obu kondensatorach będzie wzrastać z każdym cyklem określoną liczbę razy. Świetny pomysł dla generatora! Będzie można tworzyć nowe projekty wiatraków, turbin i tak dalej! A więc świetnie… dla wygody można to wszystko położyć na dwóch krążkach obracających się w przeciwnych kierunkach…. och, co to jest ... uch, to jest szkolna maszyna do elektrofory! 🙁.

Nie zakorzenił się jako generator, ponieważ niewygodne jest radzenie sobie z takimi napięciami. Ale w nanoskali wszystko może się zmienić. Zjawiska magnetyczne w nanostrukturach są wielokrotnie słabsze niż elektryczne, a pola elektryczne tam, jak już widzieliśmy, są ogromne, więc maszyna do elektrofory molekularnej może stać się bardzo popularna.

Kondensator jako magazyn energii

Bardzo łatwo jest upewnić się, że energia jest gromadzona w najmniejszym kondensatorze. Aby to zrobić, potrzebujemy przezroczystej czerwonej diody LED i źródła prądu stałego (akumulator 9 V jest w porządku, ale jeśli pozwala na to napięcie znamionowe kondensatora, lepiej wziąć większy). Doświadczenie polega na naładowaniu kondensatora, a następnie podłączeniu do niego diody LED (nie zapomnij o polaryzacji) i obserwowaniu, jak mruga. V ciemny pokój błysk jest widoczny nawet z kondensatorów kilkudziesięciu pikofaradów. To około stu milionów elektronów emitujących sto milionów fotonów. To jednak nie koniec, bo ludzkie oko dostrzega znacznie słabsze światło. Po prostu nie znalazłem nawet mniej pojemnych kondensatorów. Jeśli rachunek sięga tysięcy mikrofaradów, zlituj się nad diodą LED i zamiast tego podłącz kondensator do metalowego przedmiotu, aby zobaczyć iskrę - oczywisty dowód na obecność energii w kondensatorze.

Energia naładowanego kondensatora zachowuje się pod wieloma względami jak potencjalna energia mechaniczna - energia ściśniętej sprężyny uniesionej na wysokość ładunku lub zbiornika wody (a energia cewki indukcyjnej jest zbliżona do energii kinetycznej) . Zdolność kondensatora do gromadzenia energii od dawna wykorzystywana jest do zapewnienia nieprzerwanej pracy urządzeń podczas krótkotrwałych spadków napięcia zasilającego – od zegarów po tramwaje.

Kondensator służy również do przechowywania „niemal wiecznej” energii generowanej przez wstrząsy, wibracje, dźwięk, wykrywanie fal radiowych lub sieci energetycznych. Stopniowo skumulowana energia z tak słabych źródeł przez długi czas pozwala przez pewien czas działać bezprzewodowo czujnikom i innym urządzeniom elektronicznym. Zasada ta opiera się na wiecznej baterii „na palec” dla urządzeń o skromnym poborze mocy (np. pilotów do telewizora). W jego obudowie znajduje się kondensator o pojemności 500 milifaradów oraz generator, który zasila go podczas oscylacji o częstotliwości 4–8 herców z darmową mocą od 10 do 180 miliwatów. Opracowywane są generatory oparte na nanoprzewodach piezoelektrycznych, które są w stanie skierować do kondensatora energię tak słabych wibracji, jak bicie serca, uderzanie o podeszwy butów o ziemię czy wibracje urządzeń technicznych.

Innym źródłem darmowej energii jest hamowanie. Zwykle, gdy pojazd zwalnia, energia jest zamieniana na ciepło, ale może być magazynowana, a następnie wykorzystywana podczas przyspieszania. Problem ten jest szczególnie dotkliwy w przypadku transportu publicznego, który na każdym przystanku zwalnia i przyspiesza, co prowadzi do znacznego zużycia paliwa i zanieczyszczenia atmosfery emisją spalin. W regionie Saratowa w 2010 roku firma "Elton" stworzyła "Ecobus" - eksperymentalny minibus z niezwykłymi silnikami elektrycznymi "koła silnikowego" i superkondensatorami - urządzenia do magazynowania energii hamowania, które zmniejszają zużycie energii o 40%. Wykorzystali materiały opracowane w projekcie Energia-Buran, w szczególności folię węglową. Ogólnie rzecz biorąc, dzięki utworzonej w ZSRR szkole naukowej Rosja jest jednym ze światowych liderów w rozwoju i produkcji kondensatorów elektrochemicznych. Na przykład produkty Eltona są eksportowane za granicę od 1998 roku, a ostatnio produkcja tych produktów rozpoczęła się w USA na licencji rosyjskiej firmy.

Pojemność jednego nowoczesnego kondensatora (2 farady, zdjęcie po lewej) jest tysiące razy większa niż pojemność całego globu. Są w stanie zmagazynować ładunek elektryczny o wartości 40 Kulombów!

Z reguły stosuje się je w samochodowych systemach audio w celu zmniejszenia szczytowego obciążenia okablowania elektrycznego samochodu (w chwilach silnych uderzeń basu) oraz, ze względu na ogromną pojemność kondensatora, tłumią wszelkie zakłócenia o wysokiej częstotliwości w sieć pokładowa.

Ale ta radziecka „skrzynia dziadka” na elektrony (zdjęcie po prawej) nie jest tak pojemna, ale może wytrzymać napięcie 40 000 woltów (zwróć uwagę na porcelanowe kubki, które chronią wszystkie te wolty przed przebiciem do obudowy kondensatora). Jest to bardzo wygodne w przypadku „bomby elektromagnetycznej”, w której kondensator jest rozładowywany na miedzianą rurkę, która w tym samym momencie zostaje ściśnięta z zewnątrz przez wybuch. Okazuje się, że jest to bardzo silny impuls elektromagnetyczny, który wyłącza urządzenia radiowe. Nawiasem mówiąc, w eksplozji jądrowej, w przeciwieństwie do konwencjonalnej, wyzwalany jest również impuls elektromagnetyczny, co po raz kolejny podkreśla podobieństwo jądra uranu do kondensatora. Nawiasem mówiąc, taki kondensator można bezpośrednio naładować elektrycznością statyczną z grzebienia, ale oczywiście naładowanie do pełnego napięcia zajmie dużo czasu. Ale będzie można powtórzyć smutne doświadczenie van Muschenbroeka w bardzo pogorszonej wersji.

Jeśli po prostu wetkniesz pióro wieczne (grzebień, balon, syntetyczną bieliznę itp.) o włosy, dioda LED z niego się nie zaświeci. Dzieje się tak, ponieważ nadmiar elektronów (pobranych z włosów) jest uwięziony w swoim własnym punkcie na powierzchni plastiku. Dlatego nawet jeśli uderzymy w jakiś elektron wyjściem diody, inni nie będą w stanie pobiec za nim i wytworzyć prądu niezbędnego do tego, aby świecenie diody było zauważalne gołym okiem. Inną sprawą jest przeniesienie ładunku z wiecznego pióra na kondensator. Aby to zrobić, weź kondensator na jedno wyjście i potrzyj piórem wiecznym kolejno włosy, a następnie wolne wyjście kondensatora. Dlaczego pocierać? Aby zmaksymalizować pozyskiwanie elektronów z całej powierzchni pióra! Powtarzamy ten cykl kilka razy i podłączamy diodę LED do kondensatora. Będzie migać i tylko wtedy, gdy zostanie zaobserwowana polaryzacja. Kondensator stał się więc pomostem między światem „statycznej” i „zwykłej” elektryczności 🙂

Do tego eksperymentu wziąłem kondensator wysokonapięciowy, obawiając się przebicia niskonapięciowego, ale okazało się, że był to zbędny środek ostrożności. Przy ograniczonym podawaniu ładunku napięcie na kondensatorze może być znacznie mniejsze niż napięcie zasilacza. Kondensator może zamienić duże napięcie na małe. Na przykład statyczna energia elektryczna wysokiego napięcia - zwykle. Rzeczywiście, czy jest jakaś różnica: naładować kondensator jednym mikrokulombem ze źródła o napięciu 1 V lub 1000 V? Jeśli ten kondensator jest tak pojemny, że ładunek o wartości 1 μC nie powoduje wzrostu napięcia powyżej napięcia jednowoltowego źródła zasilania (tj. jego pojemność jest wyższa niż 1 μF), to nie ma różnicy. Tyle tylko, że jeśli wisiorki nie są ograniczane siłą, to więcej będzie chciało uciekać ze źródła wysokiego napięcia. Tak, a moc cieplna uwalniana na zaciskach kondensatora będzie większa (a ilość ciepła taka sama, po prostu zostanie uwolniona szybciej, dlatego moc jest większa).

Ogólnie rzecz biorąc, każdy kondensator o pojemności nie większej niż 100 nF nadaje się do tego eksperymentu. Możesz zrobić więcej, ale naładowanie go zajmie dużo czasu, aby uzyskać wystarczające napięcie dla diody LED. Z drugiej strony, jeśli prądy upływowe w kondensatorze są małe, dioda LED będzie się świecić dłużej. Możesz pomyśleć o stworzeniu urządzenia do ładowania telefonu komórkowego na tej zasadzie od ocierania go o włosy podczas rozmowy 🙂

Doskonałym kondensatorem wysokonapięciowym jest śrubokręt. Jednocześnie jego rączka służy jako dielektryk, a metalowy pręt i ludzka ręka służą za talerze. Wiemy, że pióro wieczne nacierane na włosy przyciąga skrawki papieru. Jeśli potrze się śrubokrętem we włosy, to nic z tego nie wyjdzie – metal nie ma zdolności pobierania elektronów z białek – nie przyciągał kartek, nie przyciągał. Ale jeśli, jak w poprzednim eksperymencie, potrze się go naładowanym wiecznym piórem, śrubokręt, ze względu na swoją małą pojemność, szybko zostaje naładowany do wysokiego napięcia i papiery zaczynają być do niego przyciągane.

Świecące od śrubokręta i diody LED. Na zdjęciu nierealne jest uchwycenie krótkiej chwili jego błysku. Ale – pamiętajmy o właściwościach wykładnika – blaknięcie błysku trwa długo (według standardów migawki aparatu). A teraz staliśmy się świadkami wyjątkowego fenomenu językowo-optyczno-matematycznego: wystawca odsłonił matrycę aparatu!

Skąd jednak takie trudności - jest filmowanie wideo. Pokazuje, że dioda LED miga dość jasno:

Gdy kondensatory są ładowane do wysokich napięć, efekt zbocza zaczyna odgrywać swoją rolę, co polega na następującym. Jeśli dielektryk zostanie umieszczony w powietrzu między płytami i zostanie do nich przyłożone stopniowo rosnące napięcie, to przy określonej wartości napięcia na krawędzi płytki dochodzi do cichego wyładowania, co jest wykrywane przez charakterystyczny szum i świecenie w ciemności . Wielkość napięcia krytycznego zależy od grubości wykładziny, ostrości krawędzi, rodzaju i grubości dielektryka itp. Im grubszy dielektryk, tym wyższy współczynnik CR. Na przykład im wyższa stała dielektryczna dielektryka, tym jest ona niższa. Aby zredukować efekt krawędzi, krawędzie płyt zatopione są w dielektryku o dużej wytrzymałości elektrycznej, uszczelka dielektryczna jest pogrubiona na krawędziach, krawędzie płyt są zaokrąglone, a na krawędzi płyt poprzez wykonanie krawędzi płyt z materiału o dużej rezystancji, zmniejszenie napięcia na jeden kondensator poprzez rozbicie go na kilka połączonych szeregowo.

Dlatego ojcowie założyciele elektrostatyki lubili mieć kulki na końcach elektrod. Okazuje się, że nie jest to cecha konstrukcyjna, ale sposób na zminimalizowanie przepływu ładunku w powietrzu. Nie ma dokąd pójść. Jeśli krzywizna jakiegoś odcinka na powierzchni kuli ulegnie dalszemu zmniejszeniu, to krzywizna sąsiednich odcinków nieuchronnie wzrośnie. I tutaj najwyraźniej, w naszych przypadkach elektrostatycznych, ważna jest nie średnia, ale maksymalna krzywizna powierzchni, która dla kulki jest oczywiście minimalna.

Hmm.. ale jeśli pojemność organizmu jest zdolnością do akumulowania ładunku, to prawdopodobnie jest zupełnie inaczej dla ładunków dodatnich i ujemnych.... Wyobraźmy sobie kondensator sferyczny w próżni… Ładujmy go ujemnie z głębi serca, nie oszczędzając elektrowni i gigawatogodzin (do tego przydaje się eksperyment myślowy!)… ale w pewnym momencie będzie tyle nadmiaru elektronów na tej kuli, które po prostu zaczną rozpraszać w całej próżni, tylko po to, by nie znajdować się w takim elektroujemnym stłoczeniu. Ale tak się nie stanie z ładunkiem dodatnim - elektrony, bez względu na to, ile ich pozostało, nigdzie nie odlecą z sieci krystalicznej kondensatora.
Co się stanie, jeśli dodatnia pojemność jest oczywiście znacznie większa niż ujemna pojemność? Nie! Ponieważ elektrony były tam właściwie nie dla naszego rozpieszczania, ale do łączenia atomów i bez żadnego zauważalnego ich udziału, odpychanie kulombowskich dodatnich jonów sieci krystalicznej natychmiast rozwali najbardziej opancerzony kondensator w pył 🙂

W rzeczywistości, bez wyłożenia wtórnego, pojemność „samodzielnych połówek” kondensatora jest bardzo mała: pojemność elektryczna pojedynczego kawałka drutu o średnicy 2 mm i długości 1 m wynosi około 10 pF, a cały glob ma 700 mikrofaradów.

Możliwe jest zbudowanie bezwzględnego wzorca pojemności, obliczając jego pojemność za pomocą wzorów fizycznych opartych na dokładnych pomiarach wymiarów płyt. Tak powstają najdokładniejsze kondensatory w naszym kraju, które znajdują się w dwóch miejscach. Stanowy standard GET 107-77 znajduje się w FSUE SNIIM i składa się z 4 nieobsługiwanych współosiowo-cylindrycznych kondensatorów, których pojemność jest obliczana z dużą dokładnością pod względem prędkości światła oraz jednostek długości i częstotliwości, a także wysokiej -pojemnościowy komparator częstotliwości, który pozwala porównać pojemności kondensatorów przywiezionych do weryfikacji ze wzorcem (10 pF) z błędem mniejszym niż 0,01% w zakresie częstotliwości 1-100 MHz (zdjęcie po lewej).

Standard GET 25-79 (zdjęcie po prawej), znajdujący się w Federalnym Państwowym Przedsiębiorstwie Jednostkowym VNIIM. DI. Mendelejew zawiera zaprojektowany kondensator i interferometr w jednostce próżniowej, pojemnościowy mostek transformatorowy wraz z miernikami pojemności i termostatem oraz źródła promieniowania o ustabilizowanej długości fali. Norma opiera się na metodzie wyznaczania przyrostów pojemności układu krzyżowych elektrod obliczonego kondensatora, gdy długość elektrod zmienia się o zadaną liczbę długości fal wysoce stabilnego promieniowania świetlnego. Zapewnia to utrzymanie dokładnej wartości pojemności 0,2 pF z dokładnością lepszą niż 0,00005%

Ale na rynku radiowym w Mitino trudno mi było znaleźć kondensator o dokładności powyżej 5% 🙁 Cóż, spróbujmy obliczyć pojemność za pomocą wzorów opartych na pomiarach napięcia i czasu przez nasz ulubiony PMK018. Pojemność obliczymy na dwa sposoby. Pierwsza metoda opiera się na właściwościach wykładnika i stosunku napięć na kondensatorze, mierzonych w różnych momentach rozładowania. Drugi - na pomiar ładunku oddanego przez kondensator podczas rozładowania, uzyskuje się go poprzez całkowanie prądu w czasie. Obszar ograniczony bieżącym wykresem i osiami współrzędnych jest liczbowo równy ładunkowi oddawanemu przez kondensator. Do tych obliczeń musisz dokładnie znać rezystancję obwodu, przez który kondensator jest rozładowywany. Rezystancję tę ustawiłem precyzyjnym rezystorem 10 kΩ od projektanta elektroniki.

A oto wyniki eksperymentu. Zwróć uwagę, jak piękny i gładki okazał się wystawca. W końcu nie jest to matematycznie obliczane przez komputer, ale bezpośrednio mierzone od samej natury. Dzięki siatce współrzędnych na ekranie widać, że właściwość wykładnika jest dokładnie obserwowana - zmniejszać się o równą liczbę razy w regularnych odstępach czasu (nawet mierzyłem to linijką na ekranie 🙂 Widzimy więc, że fizyczne wzory dość adekwatnie odzwierciedlają otaczającą nas rzeczywistość.

Jak widać, zmierzona i obliczona pojemność w przybliżeniu pokrywa się z nominalną (i z odczytami chińskich multimetrów), ale nie dokładnie. Szkoda, że nie ma standardu określającego, które z nich jest nadal prawdziwe! Jeśli ktoś zna standard pojemności, który jest niedrogi lub dostępny w domu, koniecznie napisz o tym tutaj w komentarzach.

W elektroenergetyce pierwszy na świecie kondensator został użyty przez Pawła Nikołajewicza Jabłoczkowa w 1877 roku. Uprościł, a jednocześnie ulepszył kondensatory Łomonosowa, zastępując frakcję i folię cieczą i łącząc równolegle banki. Jest właścicielem nie tylko wynalazku innowacyjnych lamp łukowych, które podbiły Europę, ale także szeregu patentów związanych z kondensatorami. Spróbujmy złożyć kondensator Jabłoczkowa za pomocą osolonej wody jako płynu przewodzącego i szklanego słoika z warzywami jako słoika. Rezultatem była pojemność 0,442 nF. Jeśli słoik zastąpimy plastikową torbą, która ma dużą powierzchnię i wielokrotnie mniejszą grubość, pojemność wzrośnie do 85,7 nF. (Najpierw napełnijmy worek wodą i sprawdźmy, czy nie ma prądów upływowych!) Kondensator działa - pozwala nawet mrugać diodą! Z powodzeniem spełnia również swoje funkcje w obwodach elektronicznych (próbowałem włączyć go do generatora zamiast konwencjonalnego kondensatora - wszystko działa).

Woda tutaj odgrywa bardzo skromną rolę jako przewodnik, a jeśli jest folia, to można się bez niej obejść. Zrobimy to samo, podążając za Yablochkovem. Oto kondensator z miki i folii miedzianej o pojemności 130 pF.

Metalowe płytki powinny być jak najściślej dopasowane do dielektryka i należy unikać wprowadzania kleju między płytkę a dielektryk, co spowoduje dodatkowe straty na prąd przemienny. Dlatego teraz, jako płytki, stosuje się głównie metal, nałożony chemicznie lub mechanicznie na dielektryk (szkło) lub mocno do niego dociśnięty (mika).

Możesz użyć wielu różnych dielektryków zamiast miki, cokolwiek chcesz. Pomiary (dla dielektryków o jednakowej grubości) wykazały, że powietrze ma ε najmniejszy, fluoroplast ma więcej, silikon ma jeszcze więcej, mika ma jeszcze więcej, a tytanian cyrkonianu ołowiu ma go po prostu olbrzymi. Według nauki tak właśnie powinno być - w końcu w fluoroplastiku elektrony, można by powiedzieć, są ciasno połączone łańcuchami fluorowęglowymi i mogą tylko nieznacznie odbiegać - nawet elektron nie ma gdzie przeskakiwać z atomu na atom .

Takie eksperymenty można przeprowadzić samodzielnie z substancjami o różnych stałych dielektrycznych. Jak myślisz, która ma najwyższą stałą dielektryczną, woda destylowana czy olej? Sól albo cukier? Parafina czy mydło? Czemu? Przepuszczalność elektryczna zależy od wielu rzeczy… można by o tym napisać całą książkę.

To wszystko? 🙁.

Nie, nie wszystkie! W przyszłym tygodniu będzie sequel! 🙂.

Kondensator - nie zabawka dla dzieci

(Archiwum Mądrości Pionierów)

Straszna historia z filmu innego niż horror

„Naładowany kondensator wysokiego napięcia można przypisać źródłu prądu stałego. Uważa się, że prąd stały jest mniej niebezpieczny niż prąd przemienny. Na podstawie mojego doświadczenia mogę się nie zgodzić. Jeśli „podłączysz” do domowego gniazdka elektrycznego, zaczniesz drgać. Chociaż częstotliwość prądu w gniazdku wynosi 50 Hz, a osoba nie zdąży zareagować na tak szybkie zdarzenie, to jednak będziesz miał szansę uwolnić się od działania prądu elektrycznego podczas drgawek. W końcu napięcie na wylocie wynosi zero 50 razy na sekundę. Jeśli „łączysz się” z potężnym źródłem prądu stałego, nie ma opcji. Twoje mięśnie będą się mocno napinać i żadna siła woli nie wystarczy, aby je rozluźnić. Zostaniesz przyklejony do źródła prądu stałego. W tym samym czasie twoja tusza będzie się nagrzewać, powoli zamieniając się w węgiel. Przerażenie!
Szkodliwe działanie naładowanego kondensatora wysokonapięciowego jest nieco inne i zależy od określonych warunków. Jednak w każdym razie na pewno nie będziesz miał przyjemnych wrażeń z dotykania elektrod naładowanego kondensatora. Zdecydowanie! Nie będziesz miał czasu na zwęglenie, ale kulki będą wspinać się po Twoim czole. Laska... i już jesteś w niebie! W szczególnie ciężkich przypadkach, przy potwornie dużym naładowaniu (nie mówmy o liczbach), kondensator rozerwie cię jak podkładkę grzewczą. Piłki będą w jednym rogu pokoju, a czoło w drugim rogu.
Krótko mówiąc, bądź czujny! Pracując ze sprzętem wysokiego napięcia, lepiej przesadzić, niż przepracować”.

Kondensator jest jednym z głównych elementów zasilania laserów impulsowych. Kondensator wysokiego napięcia służy do zasilania lamp błyskowych, a także do pompowania impulsowych laserów wyładowczych. Parametry kondensatorów dobierane są w zależności od konkretnego typu lasera. Czynnikami decydującymi są takie wielkości jak pojemność, napięcie robocze, rezystancja falowa i indukcyjność własna kondensatora. Energia pompy zależy od pojemności i napięcia roboczego kondensatora. Energia kondensatora jest obliczana za pomocą prostego wzoru

E \u003d CU 2 / 2, gdzie E jest energią kondensatora

C - pojemność kondensatora

U - napięcie ładowania kondensatora

Wielkość prądu, który przepłynie, gdy kondensator zostanie rozładowany przez małe obciążenie, zależy od rezystancji fali. Im niższa impedancja kondensatora, tym wyższy prąd. Na fali opór oblicza się według wzoru

ρ do = √(L do /C do), gdzie ρ do -vimpedancja kondensatora

L do - indukcyjność kondensator

C do - pojemność kondensatora

Szybkość przenoszenia energii kondensatora do obciążenia zależy od samoindukcyjności kondensatora. Im niższa indukcyjność kondensatora, tym większa stromość czoła impulsu pompy. Skąd bierze się indukcyjność w kondensatorze? Faktem jest, że płyty kondensatora są przewodnikiem prądu, a przewodnik, przez który przepływa prąd, ma indukcyjność. Nawet jeśli kondensator składa się tylko z dwóch płytek, prawdziwy obwód kondensator jak pokazano na poniższym rysunku.

Jest to klasyczny obwód oscylacyjny o rezystancji czynnej R, która zależy od dielektryka między płytami kondensatora oraz rezystancji właściwej wszystkich elementów przewodzących prąd kondensatora. Tak więc ładowanie i rozładowywanie kondensatora nie następuje natychmiast, ale ma charakter oscylacyjny. Częstotliwość oscylacji określa wzór Thompsona, z którego obliczana jest indukcyjność własna kondensatora.

Gdzie L do - indukcyjność własna kondensator

C do - pojemność kondensatora

F p - podstawowa częstotliwość rezonansowa

Oczywiście im wyższa energia kondensatora, tym większa moc pompy. Jednak wraz ze wzrostem pojemności kondensatora wzrasta również czas impulsu pompy. Jeżeli czas pompowania nie ma fundamentalnego znaczenia, do pracy lasera nadają się wysokonapięciowe kondensatory elektrolityczne. Takie kondensatory można wykorzystać np. do pompowania lasera rubinowego lub neodymowego. Oczywiście problematyczne jest uzyskanie kondera, który ma 1000 mikrofaradów przy napięciu roboczym 3 kV. Ale ten problem można łatwo rozwiązać za pomocą baterii kondensatorów. Gdy poszczególne kondensatory są połączone szeregowo, całkowite napięcie ładowania wzrasta, a pojemność można zwiększyć, łącząc kondensatory równolegle. W sklepach radiotechnicznych można kupić kondensatory elektrolityczne mające np. 150 mikrofaradów x 450 V.

Z tych kondensatorów można zrobić bank o dowolnej pojemności i napięciu roboczym.
Poniższy rysunek przedstawia przykład baterii kondensatorów odpowiadającej jednemu kondensatorowi 30uF x 2kV.

Jeśli czas pracy pompy powinien być jak najkrótszy, kondensatory elektrolityczne nie nadają się już do pracy lasera i należy dokupić kondensatory impulsowe. Niestety kondensatory impulsowe wysokiego napięcia są rzadkim towarem w sklepach radiotechnicznych. W sklepie Chip and Dip można zaopatrzyć się w firmowe kondensatory wysokonapięciowe MURATA».

Jednak maksymalne napięcie takich kondensatorów jest ograniczone do 15 kV przy pojemności 1 nF. Takie kondensatory mogą być używane do pompowania domowych laserów azotowych lub laserów na parę metali.
Do pompowania laserów barwnikowych potrzeba 100 - 1000 sztuk takich kondensatorów połączonych równolegle. Biorąc pod uwagę koszt jednego takiego konderu na poziomie ~80 rubli/szt., cała przyjemność będzie kosztować amatora co najmniej 8000 rubli. Więc nadal musisz lutować pojedynczy bank z kilku kondensatorów.
Przez Internet można kupić kondensatory typu KVI-3, które nadają się również do pompowania laserów, ale ich cena będzie jeszcze droższa (~200 rubli / sztukę).

Również kondensatory typu KPIM są kupowane przez Internet, które są całkiem odpowiednie do pompowania lasera barwnikowego.

Te kondensatory mają imponującą wydajność. Napięcie robocze może mieścić się w zakresie 5–100 kV przy pojemności kondensatora 0,1–240 mikrofaradów. Ale częstotliwość pulsu będzie< 1Гц. По стоимости эти конденсаторы самые дорогие. Их цена за штуку начинается от 20 000 руб. За такие деньги можно купить готовый лазер, причем нехилой мощности и не заниматься творческим онанизмом.
Jeśli nie ma pieniędzy, ale naprawdę chcesz, przystępujemy do masturbacji, a mianowicie do produkcji domowego kondensatora wysokonapięciowego.

Domowy kondensator wysokiego napięcia

Obwód kondensatora jest prosty, ale oto trudności z zaimplementowaniem tego obwodu w postaci ukończona konstrukcja wzrost wraz ze wzrostem napięcia roboczego kondensatora. Na początek przeanalizujemy możliwe opcje prostego kondensatora z dwóch płytek oddzielonych powietrzem. Rysunek 1 pokazuje płytki naładowanego kondensatora. Jeśli potrzebujesz wykonać kondensator o niskiej indukcyjności, powinieneś dążyć do skrócenia wszystkich elementów przewodzących prąd. Ponadto kierunek prądów w płytach kondensatora podczas rozładowywania powinien być przeciwny w celu zmniejszenia pola magnetycznego. Kierunek prądów zależy od miejsca podłączenia elektrod kondensatora. Indukcyjność kondensatora będzie najmniejsza, jeśli elektrody kondensatora są połączone z płytkami pośrodku, jak pokazano na rysunku 2.

W rzeczywistości, zgodnie z tym schematem, produkowane są komercyjne kondensatory ceramiczne. Tylko w przypadku kondensatorów wysokonapięciowych płytki mają kształt koła, aby uniknąć występowania wyładowań koronowych. Możliwe opcje połączenie elektrod z płytami kondensatora, a także kierunki prądów podczas rozładowania pokazano na poniższym rysunku.

Obwód na rysunku 3 odpowiada minimalnej indukcyjności kondensatora. Zgodnie z tym schematem konieczne jest wyprodukowanie kondensatora, jeśli wymagany jest krótki impuls pompy.
Pojemność płaskiego kondensatora oblicza się według wzoru:

podszewkikondensator

S to powierzchnia płyt kondensatora

D jest grubością dielektryka między płytami kondensatora

Jak widać ze wzoru, aby zwiększyć pojemność kondensatora, konieczne jest zmniejszenie grubości dielektryka i zwiększenie powierzchni płytek kondensatora. Możliwe jest zmniejszenie grubości dielektryka do pewnej granicy, która zależy od wytrzymałości dielektrycznej materiału dielektrycznego. Poniżej tego limitu nastąpi awaria dielektryka i kondensator może zostać odrzucony. Zwiększenie powierzchni płytek prowadzi do zwiększenia wielkości kondensatora. Aby zapewnić zwartość kondensatora, jego płyty są zwijane (technologia rolkowa) lub montowane w pakiet (technologia pakietowa).

Technologia rolki

Technologia zwijania do produkcji kondensatora jest rozumiana jako metoda układania płyt kondensatora, gdy długie paski płyt są zwijane, zmniejszając w ten sposób rozmiar kondensatora. Schematycznie taki kondensator jest linią paskową, pokazaną na poniższym rysunku.

Aby wykonać kondensator, będziesz potrzebować folii plastikowej, folii aluminiowej przeznaczonej do kontaktu z żywnością, blaszanych pasków z puszki (na przykład „mleka skondensowanego”) i taśmy klejącej. Folię polietylenową można kupić na rynku budowlanym lub w sklepie AGD. Lepiej jest wziąć najgrubszą folię (~200 mikronów), chociaż zadziała również folia 100 mikronów. Tylko konsumpcja filmu będzie większa. Najważniejsze, że powierzchnia folii nie powinna mieć zadrapań i przebić. Folia polietylenowa będzie służyć jako dielektryk oddzielający płyty kondensatora, a niezawodność kondensatora zależy od jakości powierzchni folii. Wszelkie pyłki lub włosy na powierzchni folii będą źródłem wyładowania koronowego, które ostatecznie doprowadzi do rozpadu folii.
Przede wszystkim musisz określić napięcie robocze kondensatora. Od tego zależy wybór grubości folii polietylenowej. Wytrzymałość dielektryczna polietylenu mieści się w zakresie 40 - 60 kV/mm. Oznacza to, że przy grubości warstwy 100 μm graniczne napięcie robocze kondensatora wyniesie ~ 5 kV.
Przy grubości warstwy 200 μm graniczne napięcie robocze kondensatora wyniesie ~ 10 kV. Aby zwiększyć napięcie robocze, wystarczy użyć kilku warstw folii nałożonych jedna na drugą.
Kondensator wyprodukujemy zgodnie ze schematem z rysunku 3 (patrz wyżej).

Każda z płyt kondensatora zostanie umieszczona we własnej kopercie z folii polietylenowej. Koperta to pasek folii polietylenowej o dowolnym rozmiarze złożony na pół. Im dłuższy pasek, tym wyższa możliwa pojemność kondensatora. Szerokość paska jest nieco większa niż szerokość płyt kondensatora, aby zapobiec występowaniu wyładowań powietrznych między płytami kondensatora.

Elektrody kondensatora są wycinane z puszki konserwowej w postaci prostokątnego paska o szerokości ~ 1 cm Długość paska cyny jest dowolna, ale nie mniejsza niż szerokość folii polietylenowej. Aby zapobiec wyładowaniom koronowym, końce blaszanego paska zaokrągla się pilnikiem (rys. 7 poniżej). Aby zmniejszyć czynny opór, blaszany pasek jest owinięty kilkoma warstwami folii aluminiowej (rys. 8 poniżej).
Aby zapobiec występowaniu wyładowania iskrowego między elektrodami kondensatora, pasek cyny jest owinięty na jednym końcu kilkoma warstwami folii polietylenowej, która jest przymocowana taśmą samoprzylepną (ryc. 9 poniżej).

Płyty kondensatora wycięte są w postaci prostokątnego paska folii aluminiowej. Wymiary podszewki są tak wykonane, że jest nieco mniejsze rozmiary koperta polietylenowa. Końce aluminiowego paska są zaokrąglone nożyczkami, aby zapobiec wyładowaniom koronowym.
Elektrodę mocuje się na wyściółce za pomocą taśmy samoprzylepnej, jak pokazano na poniższym rysunku.

Płytka kondensatora jest umieszczona na folii polietylenowej, jak pokazano na poniższym rysunku.

Następnie folię z tworzywa sztucznego składa się na pół, jak pokazano na poniższym rysunku.

W ten sam sposób przygotowana jest druga płytka kondensatora.
Teraz możesz zwinąć paski w rolkę. Jeśli paski polietylenowe są bardzo długie, łatwiej toczyć rolkę po podłodze pomieszczenia.
Jedna powłoka z folii polietylenowej z płytą kondensatora jest rozłożona na podłodze, a druga powłoka z płytą kondensatora jest umieszczona na niej tak, aby obie płyty były równoległe do siebie (rysunek poniżej).

Rolka jest zwijana zaczynając od elektrod, jak pokazano na poniższym rysunku.

Ponieważ folia aluminiowa w powłoce polietylenowej nie jest zamocowana, podczas zwijania rolki należy uważać, aby płyty kondensatora pozostały do siebie równoległe i nie wypełzały z folii polietylenowej. Złożona rolka jest jak najściślej ściągana taśmą samoprzylepną, która służy nie tylko jako wiązanie, ale również mocuje rolkę, zapobiegając odwijaniu się folii polietylenowej.
Wyprodukowany kondensator pokazano na poniższym rysunku.

Aby zapobiec przebiciu przez powietrze, elektrody kondensatora są lekko wygięte od siebie. Ale lepiej jest zainstalować płytę z pleksiglasu o grubości 3-4 mm między elektrodami kondensatora przy napięciach roboczych kondensatora powyżej 10 kV. Wymiary płytki dobierane są na podstawie napięcia roboczego kondensatora. Zadaniem płyty z pleksiglasu jest zmniejszenie natężenia pola elektrycznego między elektrodami kondensatora, a tym samym zapobieganie przebiciu między elektrodami przez powietrze.
Pojemność produkowanego kondensatora można zmierzyć cyfrowym miernikiem LC.

Technologia wsadowa

Przez technologię produkcji partiami kondensatora rozumie się sposób układania płytek kondensatora, gdy krótkie paski płytek nakładają się na siebie, tworząc pakiet.

Schematycznie taki kondensator pokazano na poniższym rysunku.

przez większość w prosty sposób produkcja kondensatora przy użyciu technologii wsadowej będzie wykorzystywała dwustronną folię getinax, którą można kupić na rynku radiowym lub w sklepie (na przykład Chip and Dip). Dwustronnie foliowane getinaki to prawie gotowy kondensator (ryc. 1 poniżej). Pozostaje tylko usunąć pasek miedzi wokół obwodu blachy z obu stron (rys. 2 poniżej), aby zapobiec przebiciu między elektrodami w powietrzu i podłączyć elektrody do obu powierzchni arkusza (rys. 3 poniżej).
Wszystko! Kondensator jest gotowy!

Oczywiście pojemność takiego kondensatora będzie niewielka. Ale jeśli umieścisz kilka arkuszy jeden na drugim, łącząc plus z plusem i minus z minusem, możesz uzyskać znaczną pojemność. Niestety getinaki, podobnie jak tekstolit, nie są najbardziej najlepszy materiał dla technologii wysokiego napięcia. Wytrzymałość dielektryczna tych materiałów wynosi ~18 kV/mm. Oznacza to, że najczęściej sprzedawany arkusz folii getinax o grubości 1,5 mm może być ładowany do ~20 kV. Przy wyższym napięciu ładowania wzrasta prawdopodobieństwo przebicia getinax. Ponadto koszt wytworzenia takiego kondensatora domowej roboty będzie bardzo wysoki, jeśli potrzebna jest duża pojemność.
Tańsze, ale pracochłonne będzie wytwarzanie kondensatora wysokonapięciowego z folii z tworzywa sztucznego i folii aluminiowej dopuszczonej do kontaktu z żywnością. Poniżej znajduje się wariant techniki wytwarzania kondensatora przy użyciu technologii wsadowej.

Przede wszystkim określamy napięcie robocze kondensatora, które decyduje o wyborze grubości folii z tworzywa sztucznego. Przypomnę jeszcze raz, że wytrzymałość dielektryczna polietylenu mieści się w przedziale 40 – 60 kV/mm. Do produkcji dużego kondensatora wymagana będzie znaczna ilość zarówno folii aluminiowej, jak i folii polietylenowej. Ponadto do związania pakietu kondensatorów potrzebne będą dwa grube (4-5 mm) arkusze dielektryczne (pleksi jest używana w moich domowych produktach).
Każda płyta kondensatora to pasek folii aluminiowej, którego końce są zaokrąglone nożyczkami, aby zapobiec wyładowaniom koronowym. Każda płytka jest połączona z innymi płytkami o tej samej biegunowości za pomocą listwy stykowej, która jest wycinana z folii aluminiowej i mocowana taśmą samoprzylepną na płytce (rysunek poniżej).

Z folii polietylenowej wycinany jest pasek, którego wymiary są kilka więcej rozmiarów płyty kondensatorów. Pasek folii aluminiowej jest mocowany do folii za pomocą taśmy samoprzylepnej (rysunek poniżej).

Następnie folia jest składana na pół, tworząc warstwę dielektryczną po obu stronach płyty kondensatora (rysunek poniżej).

Wykonana jest również płytka kondensatora o przeciwnej biegunowości. Następnie płyty nakładają się na siebie (rysunek poniżej).

W zasadzie kondensator jest gotowy. Wystarczy tylko docisnąć płyty do siebie za pomocą płyt dielektrycznych i ściągnąć całe opakowanie. Jednak pojemność kondensatora będzie znikoma. Aby zwiększyć pojemność, musisz zwiększyć liczbę płyt kondensatora. Przekrój kondensatora z kilkoma płytkami pokazano na poniższym rysunku.

Zgodnie z tym schematem możesz wykonać kondensator o dowolnej pojemności i napięciu roboczym. Co najmniej 1 000 000 V. Podstawowym ograniczeniem jest wielkość pomieszczenia, w którym zostanie umieszczony kondensator. Wraz ze wzrostem pojemności rośnie również rozmiar kondensatora. Nawet jeśli napięcie robocze wynosi 20 kV, zwiększenie pojemności spowoduje obrót kondensatora ...

... kondensator się obraca ...

...w elegancką szafkę nocną do wnętrza pokoju.

A im grubszy pakiet płyt kondensatorowych, tym więcej wysiłku potrzeba, aby go ściągnąć. Grube płytki dielektryczne pomogą ułatwić kurczenie się pakietu, pomiędzy którymi umieszczony jest cały pakiet płytek.

Opcjonalnie na poniższym rysunku pokazano dwie płyty z pleksi o grubości 5 mm, które będą służyć zarówno jako obudowa kondensatora, jak i kompresować pakiet płyt. Na płycie górnej na całej długości naklejona jest przegroda międzyelektrodowa z rowkami na opaski z tworzywa sztucznego.

Cały pakiet płyt jest umieszczony na dolnej płycie dielektrycznej, a płyta górna nałożona jest na opakowanie. Następnie, w miarę możliwości, górna płytka jest dociskana (rękami, nogami, brzuchem itp.) do dolnej. Zaciśnięte płytki są mocowane plastikowymi opaskami.
Gotowy dokręcony pakiet płyt kondensatora pokazano na poniższym rysunku.

Po dokręceniu i zamocowaniu opakowania można przymocować listwy stykowe płyt kondensatora. Schemat mocowania nakładek stykowych pokazano na poniższym rysunku.

Zaletą kondensatora „suchego”, wykonanego w technologii walcowanej lub pakietowej opisanej powyżej, jest niewielka ilość upływu ładunku elektrycznego, co jest ważne, gdy kondensator pracuje w obwodach wysokiej częstotliwości. Jednak taki kondensator ma również istotną wadę, a mianowicie obecność powietrza między płytami. Bez względu na to, jak silne jest ściskanie płyt, zawsze będzie między nimi powietrze. Sama obecność powietrza w żaden sposób nie wpływa na charakterystykę energetyczną kondensatora. Kondensatory „suche” mogą być z powodzeniem stosowane jako kondensatory magazynujące, które służą do wygładzania tętnień wyprostowanego napięcia do 1 kV. Jednak wraz ze wzrostem napięcia ładowania powietrze zaczyna się jonizować, co objawia się charakterystycznym sykiem kondensatora, gdy jest on podłączony do źródła napięcia > 10 kV. Syk spowodowany jest występowaniem wyładowań koronowych, które ostatecznie prowadzą do przebicia dielektryka pomiędzy płytkami kondensatora. A jeśli użyjesz kondensatora w trybie zwarcia, co jest typowe dla działania kondensatora pulsacyjnego, wówczas manifestacja wyładowań koronowych będzie maksymalna. Nawet przy idealnej powierzchni folii między płytami kondensatora, wyładowania koronowe wystąpią wzdłuż obwodu krawędzi folii aluminiowej w momencie szybkiego rozładowania kondensatora, jak pokazano na poniższym rysunku.

Blask wyładowań koronowych w kondensatorze domowej roboty widać w zaciemnionym pomieszczeniu.

Ze względu na występowanie wyładowań koronowych komercyjne kondensatory wysokonapięciowe są zawsze zanurzone w ciekłym dielektryku, który po pierwsze ma większą wytrzymałość dielektryczną niż powietrze, a po drugie zwiększa pojemność kondensatora, ponieważ stała dielektryczna dowolnej cieczy dielektryk jest wyższy niż powietrza. Ponadto kondensatory wysokonapięciowe o napięciu roboczym dziesiątek kilowoltów nigdy nie są produkowane w postaci pojedynczej rolki lub oddzielnego opakowania. Jeśli wymagane jest wyprodukowanie kondensatora wysokonapięciowego, składa się go z kilku sekcji (rolek lub pakietów), które są połączone równolegle w celu zwiększenia pojemności i szeregowo w celu zwiększenia napięcia roboczego. Ponadto napięcie robocze każdej sekcji nie przekracza 10 kV. Wszystkie sekcje zmontowanego kondensatora umieszczone są w solidnej obudowie i wypełnione płynnym dielektrykiem.
Olej jest używany jako płynny dielektryk, który może być mineralny (ropa naftowa), roślinny (rycynowy) lub syntetyczny (na przykład silikon). Każdy z olejków ma swoje plusy i minusy, które nie mają dla nas szczególnego znaczenia improwizowane projekty. Jeśli istnieje chęć zanurzenia domowego kondensatora w oleju, nie jest konieczne zaopatrywanie się na przykład w olej rycynowy, który można kupić w aptece. Całkiem odpowiedni jest jadalny olej roślinny, taki jak Oleina, Milora itp., który będzie tańszy. Na przykład kondensator rolkowy można włożyć do szklanego słoika i napełnić olejem (rysunek poniżej).

Kuszące jest użycie glicerolu (ε ≈ 40) lub wody destylowanej (ε ≈ 80) jako ciekłego dielektryka. Ciecze te zwiększają pojemność kondensatora o rząd wielkości. Niestety, zarówno gliceryna, jak i woda mają stosunkowo niską rezystywność, co powoduje bocznikowanie źródła wysokiego napięcia o wysokiej rezystancji wyjściowej (np. powielacz napięcia diody-kondensatora). Mówiąc najprościej, kondensator zamknie zasilacz i nie będzie wysokiego napięcia. Jednak glicerynę i wodę z powodzeniem stosuje się w impulsowych kondensatorach wysokonapięciowych. Sztuczka polega na tym, że kondensator jest ładowany nie ze stałego źródła napięcia, ale z impulsowego generatora napięcia (GVP).

Konstrukcja kondensatora impulsowego to linia koncentryczna złożona z dwóch rurek z duraluminium, pomiędzy którymi wlewa się glicerynę lub wodę destylowaną.