Исследовательская работа Зависимость характеристик ионисторов от различных факторов (стр. 2 )

Для расчёта внутреннего сопротивления ионистора используется формула:

R = U/Iк. з. (1) [5; 6] , где R – внутреннее сопротивление ионистора, U – напряжение на ионисторе, Iк. з – сила тока короткого замыкания ионистора. Как видно из формулы, внутреннее сопротивление ионистора обратно пропорционально силе тока короткого замыкания и прямо пропорционально напряжению в данный момент времени.

Что касается батареи ионисторов, то, с учетом того, что ионисторы являются по своей сути электроконденсаторами, при их соединении в батарею, очевидно, будут справедливы все соответствующие формулы для конденсаторов, а именно:

при последовательном соединении: = + + … + (2) [5, 6] при параллельном соединении: C = C1 + C2 + … + Сn (3) [5, 6], где C – емкость батареи конденсаторов, C1, C2, Сn – емкости ионисторов, составляющих батарею.

Батарея будет работать тем стабильней, чем ближе друг к другу характеристики составляющих ее ионисторов. В настоящем исследовании нами использовались ионисторы с максимально близкими характеристиками. В расчётах мы будем считать, что все ионисторы одинаковы. В таком случае, формулы (2) и (3) принимают следующий вид:

при последовательном соединении: = (4); при параллельном соединении: С = nС1 (5), где n – количество конденсаторов, составляющих батарею, С­1 – емкость одного конденсатора.

3. Экспериментальная часть

3.1. Концепция сборки ионистора

       Были использованы следующие материалы:

в качестве распределителей заряда – алюминиевые, медные, железные и цинковые пластины размером 4х2 см; в качестве наполнителей – активированный уголь, мелкодисперсные оксиды алюминия, магния и железа; в качестве сепараторов – бумага офисная, калька, нейлон, капрон, лавсан, ацетатный шелк; в качестве электролитов – насыщенные растворы сульфата калия, гидрокарбоната натрия, нитрата калия.        

Пластины, используемые в качестве распределителей заряда, зачищались и обезжиривались, к ним припаивались провода.  Нерабочая поверхность изолировалась.

       Сепараторы использовались с размерами большими, чем у распределителя заряда, чтобы исключить контакт наполнителя в случае выдавливания его за границы пластин.

       В качестве электролитов использовались насыщенные растворы солей. Соли выбирались из соображений инертности к распределителю заряда и сепаратору и относительной безопасности при работе с ними.

       Активированный уголь доводился до состояния порошка, поролон использовался в виде параллелепипедов одинаковой толщины. Непосредственно перед сборкой производилось смешивание наполнителя и раствора электролита. При этом использовались 10 см3 раствора на 50 см3 наполнителя. В настоящем исследовании такое соотношение выбрано для получения достаточно вязкой массы. 

       Зарядка ионистора осуществлялась посредством выпрямителя переменного тока КЭФ-8, для измерения напряжения и силы тока использовались мультиметрические приборы АВО-63 и DT-830DM, время регистрировалось секундомером. Образец цепи для зарядки ионистора и сам ионистор показаны на рисунках 3 и 4 (Приложение 2). 

3.2. Исследование зависимости основных характеристик ионистора от материала распределителя заряда

       Использованное оборудование: в качестве распределителей заряда – алюминиевые, медные, железные и цинковые пластины размером 4х2 см; в качестве сепаратора – ткань из ацетатного волокна; в качестве наполнителя – поролон, в качестве электролита – насыщенный раствор сульфата калия. После серии пробных сборок для каждого распределителя заряда было установлено предельное напряжение на зарядном устройстве, при превышении которого начинался электролиз воды. Для каждого распределителя заряда замеры производились со своим напряжением зарядки, меньшим, чем предельное, на 0,2 В. Значения предельных и выбранных напряжений зарядки представлены в таблице 1 (Приложение 3). Эти значения определяют зарядные характеристики ионистора. Действительно, чем меньше напряжение зарядки, при котором ионистор заряжается до максимально возможного напряжения, тем лучше. Время зарядки выбрано 10 минут. Результаты регистрировались в течение 10 минут с  интервалом в минуту. Для каждого распределителя заряда контрольный эксперимент проводился пять раз, показано среднее значение для каждой минуты. 

       Результаты экспериментов представлены на рис. 5 (Приложение 3).  Как видно из диаграмм,  все ионисторы имеют приблизительно одинаковое начальное напряжение, однако их саморазрядные характеристики отличаются. Напряжение зарядки ионистора с алюминиевыми пластинами больше, чем у всех остальных ионисторов потому, что алюминиевые пластины покрыты оксидной пленкой, уменьшающей электропроводимость пластин. Следовательно, уменьшается заряд, передаваемый на наполнитель, из-за чего уменьшается суммарный заряд (и напряжение) системы микроконденсаторов.

Выявлено, что наилучшем вариантом в настоящем исследовании являются медные распределители заряда, так как именно при их использовании ионистор имеет наилучшие саморазрядные и зарядные характеристики.

Внутреннее сопротивление ионистора рассчитывалось по формуле (1) согласно данным, показанным в таблице 2 (Приложение 3). Как видно из таблицы, мы отслеживали саморазряд ионистора до одинакового напряжения – 0,3 В – на всех ионисторах, а затем была измерена сила тока короткого замыкания.

Исходя из вышесказанного, медные распределители заряда выбраны нами для использования в дальнейших экспериментах.

3.3. Исследование зависимости основных характеристик ионистора от материала сепаратора

       Использованное оборудование: в качестве распределителей заряда – медные пластины 4х2 см, в качестве сепараторов – бумага офисная, калька, ткань из капрона, нейлона, лавсана, ацетатного шелка, в качестве наполнителя – поролон, в качестве электролита – насыщенный раствор сульфата калия. Напряжение на зарядном устройстве – 2,3 В. Время зарядки – 10 минут. Замеры производились каждую минуту в течение десяти минут. Эксперимент проводился пять раз для каждого сепаратора, показано среднее значение для каждой минуты.

       Результаты эксперимента представлены на рис. 6 и в таблице 3 (Приложение 4).

Как видно из диаграммы, лучшие саморазрядные характеристики проявляют ионисторы с тканевыми сепараторами, так как они удовлетворяют всем предъявляемым им требованиям (см. п.2 настоящего исследования). Значительное различие между саморазрядными характеристиками ионистора с капроновым сепаратором и ионисторов с сепараторами из других тканей объясняется тем, что сепараторы из лавсана, нейлона и ацетатного шелка имеют одинаковое плетение, а капроновый сепаратор отличается от этих сепараторов большей плотностью плетения – то есть, в большей степени препятствует соприкосновению частичек наполнителя из разных зон ионистора. Поэтому в настоящем исследовании в дальнейшем будут использованы сепараторы из капрона.

3.4. Исследование зависимости основных характеристик ионистора от материала наполнителя

       Использованное оборудование: в качестве распределителей заряда – медные пластины 4х2 см, в качестве сепаратора – капрон, в качестве наполнителя – поролон, мелкодисперсный активированный уголь, мелкодисперсные оксиды алюминия, магния, железа (ІІІ), в качестве электролита - насыщенный раствор сульфата калия. Время зарядки – 10 минут. В результате серии пробных замеров было установлено предельное зарядное напряжение для всех ионисторов, для контрольных замеров напряжение было выбрано на 0,2 В меньше. Предельные и выбранные напряжения зарядки показаны в таблице 4 (Приложение 5). Замеры производились в течение десяти минут с интервалом в 1 минуту. Для каждого наполнителя контрольный эксперимент проводился пять раз, показано среднее значение на каждой минуте.

       Результаты экспериментов представлены на рисунке 7 и в таблице 5 (Приложение 5). Выявлено, что наилучшими саморазрядными и зарядными характеристиками обладает ионистор с оксидом алюминия в качестве наполнителя. На основании этого данный наполнитель использовался при всех дальнейших сборках ионисторов.

       При проведении этой серии экспериментов мы столкнулись с интересным явлением: в случае использования в качестве наполнителя оксидов металлов после отсоединения выводов от зарядного устройства напряжение на ионисторе продолжало расти. Достигнув определенной точки, напряжение начинало падать. График, отображающий процесс падения напряжения после достижения высшей точки, имел сходную форму со всеми графиками падения напряжения, выведенными нами до этого.

Объясняется увеличение напряжения на ионисторе следующим образом. В случае ионистора на одном из распределителей заряда накапливается положительный заряд, а на другом – отрицательный. Заряд распределяется между всеми частичками наполнителя в соответствующей зоне. Пока идет зарядка, заряд увеличивается на всех частичках наполнителя и на пластине тоже. Вследствие этого движение анионов или катионов электролита к соответствующим частичкам постоянно. После отключения ионистора от зарядного устройства свободные анионы и катионы все еще продолжают движение к соответствующим частичкам, поскольку заряд, накопленный в соответствующей зоне на частичках и пластинах, распределился между частичками наполнителя, никуда не исчезнув, сохраняя электродвижущую для ионов силу, которая будет уменьшаться с образованием малых конденсаторов. То есть, когда определенное число ионов присоединится к частичкам с образованием конденсаторов так, что остаточный заряд, накопленный в зоне, распределится между всеми микроконденсаторами, движение ионов к частичкам прекратится, то есть, напряжение перестанет подниматься. Далее начинается саморазряд.