Почему вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость. Какова проводимость воды разной степени очистки. Как используется вода в качестве диэлектрика в конденсаторах. Каковы преимущества и недостатки водяных конденсаторов.
Диэлектрическая проницаемость воды и ее причины
Вода обладает очень высокой диэлектрической проницаемостью, которая при нормальных условиях составляет около 80. Это одно из самых высоких значений среди жидкостей. Чем обусловлена такая высокая диэлектрическая проницаемость воды?
Основные причины высокой диэлектрической проницаемости воды:
- Полярность молекул воды. Молекула H2O имеет ярко выраженный дипольный момент.
- Способность молекул воды к ориентационной поляризации в электрическом поле.
- Образование водородных связей между молекулами.
- Высокая подвижность молекул воды.
Благодаря этим факторам, молекулы воды легко поляризуются под действием внешнего электрического поля, что и обуславливает высокое значение диэлектрической проницаемости.
Проводимость воды разной степени очистки
Хотя вода и является хорошим диэлектриком, она обладает некоторой проводимостью. Каковы типичные значения проводимости для воды разной степени очистки?
- Дистиллированная вода: 0.5-5 мкСм/см
- Деионизированная вода: 0.1-1 мкСм/см
- Водопроводная вода: 50-800 мкСм/см
- Морская вода: 50000-60000 мкСм/см
Как видно, проводимость сильно зависит от степени очистки воды и наличия в ней растворенных ионов. Чем чище вода, тем ниже ее проводимость.
Применение воды в качестве диэлектрика в конденсаторах
Несмотря на высокую диэлектрическую проницаемость, вода редко используется в обычных конденсаторах. В каких же случаях создаются водяные конденсаторы?
Основные области применения водяных конденсаторов:
- Высоковольтные импульсные системы
- Мощные лазерные установки
- Ускорители заряженных частиц
- Системы генерации сверхвысоких напряжений
В этих применениях используется деионизированная вода с очень низкой проводимостью. Ее постоянно прокачивают через ионообменные смолы для поддержания чистоты.
Преимущества водяных конденсаторов
Какие преимущества дает использование воды в качестве диэлектрика в конденсаторах?
- Очень высокая диэлектрическая проницаемость (около 80)
- Высокая электрическая прочность (до 70 МВ/м)
- Способность к самовосстановлению после пробоя
- Хорошие теплоотводящие свойства
- Низкая стоимость
Благодаря этим свойствам, водяные конденсаторы могут накапливать большую энергию и работать при очень высоких напряжениях.
Недостатки и ограничения водяных конденсаторов
Почему же вода не используется повсеместно в качестве диэлектрика? Каковы основные недостатки водяных конденсаторов?
- Необходимость постоянной очистки воды
- Коррозия электродов
- Испарение воды
- Замерзание при низких температурах
- Сложность конструкции
- Большие габариты
Эти факторы ограничивают применение водяных конденсаторов специализированными высоковольтными системами.
Зависимость свойств воды от частоты и температуры
Диэлектрическая проницаемость и проводимость воды не являются постоянными величинами. Как они зависят от частоты и температуры?
- При повышении частоты диэлектрическая проницаемость воды снижается
- С ростом температуры диэлектрическая проницаемость уменьшается
- Проводимость воды возрастает с повышением температуры
- При замерзании воды ее диэлектрическая проницаемость резко падает до 3-4
Эти зависимости необходимо учитывать при проектировании водяных конденсаторов для конкретных применений.
Альтернативные жидкие диэлектрики
Какие другие жидкости могут использоваться в качестве диэлектриков в конденсаторах вместо воды?
- Трансформаторное масло
- Силиконовые жидкости
- Фторированные углеводороды
- Касторовое масло
- Глицерин
Эти жидкости имеют более низкую диэлектрическую проницаемость, чем вода, но обладают рядом других преимуществ — высокой электрической прочностью, низкой проводимостью, стабильностью свойств.
Сравнение свойств воды и других жидких диэлектриков
Как соотносятся основные параметры воды и альтернативных жидких диэлектриков?
| Диэлектрик | Диэлектрическая проницаемость | Электрическая прочность, МВ/м |
|---|---|---|
| Вода | 80 | 65-70 |
| Трансформаторное масло | 2.2-2.5 | 10-15 |
| Силиконовые жидкости | 2.7-2.8 | 15-18 |
| Касторовое масло | 4.5-4.7 | 12-15 |
Как видно, вода значительно превосходит другие жидкости по диэлектрической проницаемости, но уступает некоторым по электрической прочности.
Физики раскрыли секрет того, почему вода проводит ток
https://ria.ru/20161202/1482714523.html
Физики раскрыли секрет того, почему вода проводит ток
Физики раскрыли секрет того, почему вода проводит ток — РИА Новости, 24.08.2018
Физики раскрыли секрет того, почему вода проводит ток
Ученые впервые проследили за тем, как одна молекула воды передает протоны своей «соседке», и раскрыли секрет того, почему вода пропускает ток, а другие похожие на нее вещества – не обладают таким свойством.
2016-12-02T15:39
2016-12-02T15:39
2018-08-24T12:28
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/152537/98/1525379896_0:313:6000:3688_1920x0_80_0_0_c8bede706fec5ea0614a0c453216b7db.jpg
сша
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.
xn--p1ai/awards/
2016
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.img.ria.ru/images/152537/98/1525379896_334:0:5667:4000_1920x0_80_0_0_bccc9455e5d59d960e66d7022cc633e4.jpg
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4. 7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
открытия — риа наука, сша, йельский университет, физика, вода
Открытия — РИА Наука, Наука, США, Йельский университет, Физика, Вода
МОСКВА, 2 дек – РИА Новости. Ученые впервые проследили за тем, как одна молекула воды передает протоны своей «соседке», и раскрыли секрет того, почему вода пропускает ток, а другие похожие на нее вещества – не обладают таким свойством, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.
«Когда через воду проходит ток, атомам кислорода при этом почти не приходится двигаться. Этот процесс можно сравнить с знаменитой «колыбелью» Ньютона, набором подвешенных шариков, выстроенных в линию. Если поднять один из них и ударить им по линии, только концевые шарики будут двигаться, а остальные будут стоять на месте», — рассказывает Марк Джонсон (Mark Johnson) из Йельского университета (США).
Дистиллированная вода, как и многие другие вещества, состоящие из двух неметаллических элементов, является изолятором, почти не пропускающим электрический ток. Но если в воду добавить даже очень небольшое число ионов, ее электропроводность резко вырастает и она становится полноценным проводником. О том, почему вода проводит ток, ученые спорят уже более двух столетий.
В начале 19 века немецкий химик Теодор Гротгус предложил теорию, которая объясняла то, почему вода пропускает через себя ток и почему электричество может разлагать ее на водород и кислород. Он посчитал, что молекулы воды могут захватывать лишние протоны и передавать их друг другу, подобно палочке в эстафете, благодаря формированию новых водородных и ковалентных связей и их быстрому распаду.
12 ноября 2015, 22:00
Ученые раскрыли тайну происхождения воды на ЗемлеДревнейшие породы Земли с канадского острова в Арктике рассказали ученым о том, что вода нашей планеты существовала на ее поверхности изначально, а не была принесена кометами или астероидами.
Как рассказывает Джонсон, как именно протекает подобная «эстафета» и как выглядят молекулы воды, участвующие в обмене протонами, до настоящего времени никто не знал, так как проследить за этим процессом крайне сложно из-за его скоротечности и крайне малых масштабов, на которых протекает эта реакция.
Йельским химикам удалось решить эту задачу, обнаружив, что подобные реакции замедляются и становятся видными для инструментов при исполнении двух условий – охлаждения небольшого количества молекул воды почти до абсолютного нуля и использования только «тяжелой» воды – молекул, состоящих из обычного кислорода и дейтерия, тяжелого изотопа водорода.
Подсвечивая такие молекулы при помощи лучей инфракрасного лазера и наблюдая за изменениями в их спектре, ученые смогли увидеть, как свободные ионы дейтерия присоединяются к тяжелой воде, и как они «перепрыгивают» на соседнюю с ней молекулу.
28 сентября 2015, 18:10
Ученые нашли «соленые ручьи» из жидкой воды на МарсеСпектральные данные с зонда MRO помогли планетологам доказать, что на экваторе Марса периодически возникают своеобразные ручьи из жидкой, но очень соленой воды.
Как показали эти наблюдения, подобные обмены идут не между отдельными молекулами воды, а между своеобразными «коллективами» их молекул, объединяющие в себе четыре молекулы h3O. Это, в целом, подтверждает то, что раньше подозревали ученые на базе компьютерных расчетов, но не могли доказать этого на практике.
Дальнейшее изучение этого процесса, как надеются химики из Йеля, поможет раскрыть другие тайны воды, в том числе ее необычно высокое поверхностное натяжение, и понять, как подобная транспортировка протонов влияет на работу нашего организма и других живых существ.
Электроника на пальцах / Хабр
Пытался объяснить дочке. Сегодня ехал с работы и придумал, как объяснить доходчиво.
Электрический ток течет по проводам так же, как вода — по трубам. Если в кране воду закрыть, она давит на клапан — в электрическом мире это — «напряжение». В данном случае раковина — это как бы «земля» в электрическом мире. Если же представлять себе двухполярную систему, с минусом и плюсом, то тогда это труба, перекрытая посередине перегородкой, а давление нарастает не только с одной стороны, но и падает с другой. Перегородка в какой-то момент не выдерживает — это электрический «пробой». Источник напряжения — это что-то, создающее давление.
Ток — это в нашей аналогии скорость движения воды в трубе. Чем быстрее движется вода, тем больше ток. Если кран перекрыт — вода не движется, вне зависимости от того, какое «на входе» будет давление (=напряжение). Поэтому птицы свободно сидят на проводах и их не бьет током — току просто некуда уйти. Если открыть клапан — вода вырвется наружу. При этом давление сначала упадет, а потом заново поднимется до нормального уровня. Но резко остановится не сможет и давление немного возрастет, а потом опять упадет — в результате нормализуется. Это переходные процессы. Из-за этого сгорают лампочки, потому что при включении света происходит тоже самое, но с напряжением и током.
Аналогом сопротивления может быть ржавчина внутри трубы. Короче, это что-то такое, что мешает воде нормально перемещаться. Этого может быть очень много и тогда труба превращается в диэлектрик. Диэлектрики бывают разные — какие-то пропускают ток плохо, какие-то очень плохо. Кстати, оффтопик: обычная дистиллированная вода — диэлектрик.
Понять, как проводят ток два параллельно или последовательно соединенных сопротивления можно, представив вот такие засоренные трубы, поставленные параллельно или последовательно. Представим себе одну сильно засоренную трубу и одну пустую. Куда пойдет вода? В основном по пустой. И ток так же. А если их соединить последовательно? вода все равно не сможет пройти с большей скоростью через пустую трубу, так как там дальше мешает засоренная. Мы помним, что ток — это тут скорость воды.
Также можно вспомнить, как устроена лампочка? Это просто очень плохо проводящий тонкий проводник. Фактически, очень тонкая засоренная труба в нашей аналогии. Когда по такому идет очень мощный водный поток, он нагревает трубу. В лампочке нагрев происходит такой, что нить светится. Энергия тока превращается в тепло. Но что происходит с током на «выходе»? В аналогии с водой падает скорость, да, и ток в цепи тоже падает.
Что такое диоды? Это клапаны, открывающиеся только в одну сторону. Если вода идет только в одну сторону, то прямо поставленный диод пропускает ток-воду, а обратно — блокирует. Клапан в данном случае китайский выходит — все-таки чуть-чуть пропускает.
Что такое переменный ток? Для постоянного тока «батарея» толкает на плюсе воду, а на минусе всасывает, в итоге ток может идти по цепи в понятном направлении. Переменный ток — это когда плюс и минус меняются местами. В розетке они меняются туда-сюда 50 раз в секунду.
Минус в аналогии в том, что в отличии от воды в трубах, с током нет перемещения вещества. Никакие молекулы там никуда не движутся. Передается информация — заряд. Также этой аналогией непросто объяснить полупроводники и конденсаторы (хотя последние более-менее можно).
Диэлектрическая проницаемость воды от 0° до 100°C
%PDF-1.4 % 113 0 объект > эндообъект 108 0 объект >поток application/pdf
Для отдельных произведений может потребоваться получение других разрешений от первоначального правообладателя. adobe.com/xap/1.0/mm/xmpMMXMP Media Managementэлектростатика — Почему вода не используется в качестве диэлектрика в конденсаторе?
спросил
Изменено 7 месяцев назад
Просмотрено 28 тысяч раз
$\begingroup$
Диэлектрическая проницаемость воды очень высока. Тогда почему его не используют в качестве диэлектрика в конденсаторе?
- электростатика
- вода
- емкость
- диэлектрик
$\endgroup$
1
$\begingroup$
«Водяные конденсаторы», где вода является диэлектриком, обычно используются в импульсных системах очень высокого напряжения. Например, мощные азотные лазеры обычно используют водяные конденсаторы в качестве компонента для накопления энергии. При использовании в этих приложениях деионизатор смолы используется для резкого снижения проводимости воды. Большим преимуществом использования воды в качестве диэлектрика в этих высоковольтных приложениях является то, что она самовосстанавливается, в отличие от твердого диэлектрика.
Итог, да, деионизированная вода может и используется в качестве диэлектрика конденсатора. Просто введите в поиск «водяной конденсатор», и вы найдете множество статей о конструкциях и приложениях.
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Воду можно рассматривать как диэлектрик, поскольку она имеет хорошее значение относительной диэлектрической проницаемости (около 80 при 20°C). Но у него тоже есть какая-то проводимость (иначе электрические цепи не дадут ударяет при прикосновении!). Вода оказывается диэлектриком из-за связанной с ней диэлектрической поляризации (это электрический диполь и высокополярная молекула, которая даже вращается, ориентируясь в направлении поля). Электрическое поле , индуцированное поляризацией, преодолевает эффект, вызванный приложенным электрическим полем. Но это поле можно легко преодолеть, есть еще одна вещь, которую вам нужно знать, называемая пробоем диэлектрика (что составляет 60-70 мегавольт на метр для дистиллированной воды). Это напряжение может быть легко преодолено приложенным электрическим полем, и, кстати, вода начинает проводить. ..
Примечание: Но домашняя вода обычно содержит несколько видов солей, таких как NaCl и т. д., которые распадаются на ионы в растворе (по теории Аррениуса) как Na + , Cl — и т. д. Я думаю, вы знаете, что наличие заряженных частиц (например, ионов) в растворе позволяет ему проводить электричество. НО, вода на самом деле не играет здесь роль , проводящего . Это просто среда…
$\endgroup$
3
$\begingroup$
Гипотетически — может. Но на практике будьте осторожны. Воду часто называют универсальным растворителем . И именно поэтому его практическое использование в качестве диэлектрика для конденсаторов было бы неудачным. Пластины конденсатора металлические, и в конечном итоге вода растворит металл, создав ионы металла в растворе, что приведет к токопроводящей дорожке — выходу из строя диэлектрика.
Тогда вы можете поспорить, давайте использовать платиновые или золотые пластины. Это не так практично, учитывая стоимость.
$\endgroup$
$\begingroup$
Это зависит от того, для чего вы хотите использовать емкость.
Аккумулятор энергии
- Высокие потери из-за проводимости могут оказаться недостаточными для этого использования.
- Проводимость воды увеличивается при добавлении ионов, например натрия или хлорида. Другие представлены в статье EPA «Мониторинг и оценка качества воды — добровольный мониторинг».
- Проводимость также изменяется в зависимости от температуры. «Влияние температуры на измерение проводимости» дает коэффициенты для компенсации.
Некоторые эталонные значения проводимости с сайта mbhes.com (из архива):
- Дистиллированная вода имеет проводимость 0,5 мкСм/см (удельное сопротивление 200 кОм•мм )
- Водопроводная вода имеет проводимость до 800 мкСм/см (удельное сопротивление 125 Ом•мм или более)
- Соленая вода имеет проводимость до 56 мСм/см (удельное сопротивление 1,8 Ом•мм или более)
Изменения состояния в зависимости от давления и температуры, а также перехода от льда к воде и к пару, вероятно, делают эту емкость очень переменной емкостью, а также трудной в производстве.
Если вы планируете использовать его в контуре фильтра, диэлектрическая проницаемость воды изменяется в зависимости от частоты. Это затрудняет прогнозирование частоты среза.
Другие интересные приложения
Высокая относительная диэлектрическая проницаемость воды, используемая для обнаружения присутствия воды в цепи емкостного датчика, делает его, например,
- хорошим течеискателем.
- датчик уровня воды.
$\endgroup$
$\begingroup$
Чистая вода является очень эффективным диэлектриком на высоких частотах, хотя для поддержания ее чистоты обычно необходимо прокачивать ее через ионообменную смолу для удаления растворенных в ней ионов из корпуса. Он также имеет очень высокое напряжение пробоя по сравнению с воздухом (50 миллионов вольт на метр и более).
Сравнивая удельное сопротивление (18 МОм·см) с емкостью единичного куба (8 пФ или около того для того же куба размером 1 см), мы получаем постоянную времени саморазряда около 150 мкс.
