ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР

Полезная модель относится к области электротехники и электроники, в частности, к устройствам, накапливающим электрические заряды, и может быть использована при создании конденсаторов с повышенной электроемкостью.
Широко известны электрические конденсаторы, состоящие из электропроводящих пластин с помещенными между ними слоем диэлектрика. [В.Т.Ренне. «Электрические конденсаторы», - .М.: - Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 602 с.; 2. ]. Недостатком указанных конденсаторов является относительно малая удельная электроемкость.
Известен также электрический конденсатор с повышенной по сравнению с предыдущим аналогом удельной электроемкостью.
Известный конденсатор состоит из корпуса, электроконтактных выводов, электропроводящих пластин, разделяющего вещества, помещенного между указанными пластинами, по которому осуществляется перенос положительного и отрицательного носителей. В разделяющее вещество, используемое в качестве носителя, введено активное начало в виде нано частиц из сегнетоэлектрического материала, отличного от материала указанного носителя, расположенное на твердой подложке. [Патент 2266585 - Электрический конденсатор, 2005.], прототип. Недостатком указанного конденсатора является также недостаточно высокая удельная электроемкость. Задачей полезной модели является существенное увеличение удельной (на единицу площади, на единицу объема) электроемкости электрического конденсатора.
Решение указанной задачи осуществляется за счет выполнения твердой подложки, на которой расположено активное начало, в виде нано размерного кристалла слюды с пленочной водой в виде льда на ее поверхности, а носителем является квазижидкий «замороженный» слой на кристалле «льда», который ориентирован в перпендикулярном направлении к указанным пластинам.
При увлажнении мелкодисперсной слюды вода, проникая между слюдинками, образует особую фазу, молекулы которой расположены между кристаллами слюды более упорядочение, чем в объеме жидкости. Эта упорядоченность в структуре пленки приближает ее к твердоподобной (в виде льда).
При температурах близких к точке плавления льда его поверхность покрывается тонкой жидкой пленкой. Такая пленка носит название квазижидкого или переходного слоя.
Всякая молекула воды, находящаяся в толще кристалла льда, тетроэдрически связана с четырьмя другими окружающими молекулами. Для молекул воды, которые находятся на поверхности, для которых соседей с одной стороны нет, и какое - то количество линий водородных связей остается неиспользованным, например на поверхности нано размерных кристаллов слюды накапливается повышенная энергия. Мерой ее величины служит поверхностная энергия (в случае жидкости - энергия поверхностного натяжения). Существование у льда, в отличие от других веществ, квазижидкого слоя объясняется тем, что молекулы воды представляют собой диэлектрические диполи.
3
3
+
-
+
-
Поскольку расположение протонов в кристалле льда неупорядочено, его дипольные молекулы воды ориентируются в произвольных направлениях, и в результате образуется двойной электрический слой. На поверхности квазижидкого слоя расположение дипольных молекул воды в достаточной мере упорядочено. При 0ºС степень ориентации составляет 0,74. Иными словами, 74% молекул межпакетной воды ориентированы протонами наружу. Квазижидкий слой возникает мгновенно при температуре около - 6ºС и ниже, но изменяется в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен ангстрем. Проводимость льда также как и проводимость воды, носит ионный характер и обусловлена движением чрезвычайно малого количества ионов гидроксония H0 и ионов гидроксила OH, возникших за счет диссоциации. При приложении ко льду электрического поля ионы HO начинают двигаться к отрицательному полюсу, а ионы OH - к положительному.
3
+
2
Подвижность ионов HO т.е. скорость движения этих ионов при приложении электрического поля единичной напряженности, равна 0,075 см/(c·В), т.е. примерно в 40 раз больше, чем в молекулярной воде. Проще говоря, в кристаллах льда повсюду растянута сеть водородных связей, и протоны при помещении его в электрическое поле, могут легко проносится по ним, как по рельсам.
3
3
3
+
+
+
Благодаря способности протона "перескакивать" с одной молекулы на другую, ионы HO очень подвижны. Перескакивание протона от молекулы к молекуле происходит как в воде, так и во льду, но подвижность протона в воде меньше, чем по льду, на один порядок. Аномальные подвижности ионов HOкак во льду, так и в жидкой воде являются следствием наличия водородных связей между молекулами. Эти связи способствуют быстрому переносу протонов. Например, один из протонов иона HO может перемещаться вдоль водородной связи скачками:
.
Объемная концентрация кристаллов нано размерной слюды в носителе составляет не менее m>70%, а размер кристалла нано разменной слюды составляет d=4-20 нм с характеристическим числом χ=l/d=1,0-10, где l - больший размер кристалла, при этом нано размерные кристаллы слюды расположены послойно параллельно спайности. Каждый слой нано размерных кристаллов слюды сдвинут относительно большого нано размера кристалла слюды в двух направлениях относительно следующего слоя на (1/3-½)·l
С целью обеспечения устойчивой работы активное начало соединено с регулируемым ограничителем утечки зарядов и с саморегулируемым компенсатором давления - теплоемником.
Вышеперечисленные признаки позволяют достичь значительного повышения удельной электроемкости и энергоемкости конденсатора.
На фиг.1 представлено схематическое изображение предлагаемого конденсатора, а на фиг.2 - конструктивная схема конденсатора, где
1 - электроконтактные выводы,
2 - электропроводящие пластины,
3 - «замороженный» слой пленочной воды,
4 - разделяющее вещество (носитель: «замороженный» слой пленочной воды),
5 - нано размерный кристалл слюды (активное начало),
6 - положительно заряженная частица - протон,
7 - молекулярная вода между нано размерными кристаллами слюды,
8 - путь гидроксония,
9 - силикатная основа нано размерного кристалла слюды.
10 - электроны.
11 - блок нано размерных кристаллов слюды.
12 - корпус конденсатора,
13 - саморегулируемый компенсатор давления - теплоемник,
14 - регулируемый ограничитель утечки зарядов.
Между двумя электропроводящими пластинами 2 с электроконтактными выводами 1 помещены нано размерные кристаллы слюды 5, которые расположены на твердой неметаллической подложке, например в виде силикатного слоя 9 и разделяющее вещество (носитель в виде «замороженного» слоя пленочной воды) 4. Положительными носителями в разделяющем веществе являются протоны 6 и гидроксония 8, отрицательными - электроны 10. Пути движения носителей: протонов 6 и гидроксония 8 к электронам в «замороженном» слое пленочной воды 3 различные: для протонов - равномерное, а гидроксония - скачкообразное. Носители гидроксония недолго живущие, провоцируются протонным движением. В рассматриваемом случае молекулярная вода 7 между нано размерными кристаллами слюды 5 практически преодолимое препятствие, т.к. кислород молекулярной воды является своеобразным трамплином на пути гидроксония. Поэтому толщина молекулярной воды 7 должна быть наименьшей.
1
Кристаллы 5 смещены в соседних слоях друг относительно друга на расстояние d=(1/3-½)·l, где l=d·χ - больший размер кристалла; χ=1,0-10 - характеристическое число; d - толщина кристалла 5.
Для того, чтобы носителей в разделяющем веществе было как можно больше, необходимо иметь m>70, где m - объемная концентрация нано размерных кристаллов слюды.
Наиболее оптимальный режим работы конденсатора при температуре от (-6°C) до (-45°C).
В корпус 12 встроен блок 11 нано размерных кристаллов слюды. В этом блоке размещены нано размерные кристаллы слюды 5 с электропроводящими пластинами 2, саморегулируемый компенсатор давления - теплоемник 13 и регулируемый ограничитель утечки зарядов 14.
3
Саморегулируемый компенсатор давления - теплоемник 13 может быть выполнен из увлажненного червячнообразного графита, который примыкает к блоку нано размерных кристаллов слюды 11 таким образом, что бы избыток тепловой энергии передавался увлажненному графиту. При повышении температуры выше допустимой в блоке кристаллов слюды 11 повышается давление, которое может разрушить его оболочку и соответственно ликвидировать замороженный слой между слоями кристаллов. Избыток тепла в теплоемнике 13 расходуется на нагрев молекулярной воды и распрямление поджатых к блоку кристаллов слюды 11 углеродного червячнообразного графита. Повышение температуры в блоке кристаллов слюды 11 возможно при работе конденсатора на частотах (порядка 10-10 МГц). Рост диэлектрических потерь в конденсаторе в этом случае почти на порядок больше номинального тангенс дельта, соответственно и тепловые потери увеличиваются на порядок. [Мецик М.С., Щербаченко Л.А. Электрические свойства слюды.- Иркутск: Изд. ИГУ, 1990.- 328с. ].
Потери емкости при работе ограничителя утечки зарядов 14 составляют почти треть исходной тепловой энергии. Итого общие потери энергии предлагаемого конденсатора в расчете на сопоставимый с прототипом объем составят примерно в 130 - 150%.
Для расширения функциональных возможностей корпус 12 должен быть выполнен из материала, обладающего дифференцированными свойствами в зависимости от климатических условий: для холодного климата с хорошей теплопроводностью, а для жаркого с малой теплопроводностью.
1
1
1
1
-9
-8
3
-6
6
Энергия нано размерного кристалла слюды 5 предлагаемого конденсатора составляет W=3·10 Дж, усредненный объем которых v=10 нм; концентрация кристаллов слюды в конденсаторе m>70%, C=5-10 Ф, диэлектрическая проницаемость ε=6·10.
Соответственно энергия нано активного начала для прототипа:
пpoт
прот
прот
прот
-11
-7
4
W=5·10 Дж, m≈20%, С=10 Ф, ε =3·10.
В пересчете на сопоставимые объем и напряжение предлагаемого конденсатора и прототипа имеем.
Для заявляемого решения:
10
6
8
3
11
2
пат
W=1,25·10Дж, C=10 Ф, ε=6·10, W=6,25·10 Дж/см, W=1,6·10 Дж/см.
Для прототипа:
прот
уд
пат
пат
10
4
3
2
W=1,25·10 Дж, С=1 Ф, ε=3·10, W=62,5 Дж/см. W=16 Дж/см.
Основными отрицательными носителями в прототипе являются электроны, а положительными - ионы сегнетоэлектрического материала. В предлагаемом конденсаторе отрицательными носителями являются также электроны, а положительными - протоны и гидроксония. Поэтому число носителей в предлагаемом конденсаторе превосходит прототип на несколько порядков. Кроме того, в предлагаемом решении подвижность носителей почти в 40 раз превышает подвижность ионных носителей прототипа. Нано частицы по прототипу - рукотворное вещество (очень дорогое и трудоемкое в производстве), в предлагаемом решении - естественное природное (подложка, разделяющееся вещество). Диэлектрическая проницаемость нано размерных кристаллов слюды 5 превышает диэлектрическую проницаемость прототипа на два порядка.
В целом в пересчете на объем и напряжение, данные в прототипе, предлагаемый конденсатор по всем сопоставляемым характеристикам превосходит прототип примерно на два порядка