Исследовательская работа Зависимость характеристик ионисторов от различных факторов (стр. 3 )

       Мы выдвинули гипотезу: с увеличением времени зарядки процесс увеличения напряжения после отключения от зарядки будет более длительным, следовательно, саморазряд будет начинаться позже. Действительно, в случае увеличения времени зарядки увеличится заряд на обкладках ионистора. А заряд, как видно из формулы q = It (6), где q – заряд, I – сила тока, протекающего через проводник, t – время протекания тока, прямо пропорционален времени протекания тока, то есть, времени зарядки.        

3.5. Исследование зависимости основных характеристик ионистора от времени зарядки

       Использованное оборудование: в качестве распределителя заряда – медные пластины 4х2 см, в качестве сепаратора – капрон, в качестве наполнителя – мелкодисперсный оксид алюминия, в качестве электролита – насыщенный раствор сульфата калия. Время зарядки – 30 секунд, 1 минута, 5 минут, 10 минут, 30 минут, 1 час. Напряжение на зарядном устройстве – 2,5 В. Замеры производились в течение тридцати минут с интервалом в минуту.

       Результаты  эксперимента представлены на рисунке 8 (Приложение 6).

       Расчет внутреннего сопротивления в данном эксперименте проводился исходя из того, что ионистор использовался один и тот же, значит, в данном случае внутреннее сопротивление будет зависеть от количества микроконденсаторов. Учитывая тот факт, что их количество будет тем больше, чем большее время ионистор заряжается, по формуле (1) вычислено максимальное внутреннее сопротивление при максимальном времени зарядки:  R = 1,3 В/ 18,9∙10-5 А = 6878 Ом.

       Гипотеза, высказанная в предыдущем пункте, подтвердилась. Действительно, с увеличением времени зарядки процесс саморазряда начинался тем позже, чем больше было время зарядки. Из диаграммы это хорошо видно: саморазряд на ионисторе, заряжавшемся 1 час, на протяжении регистрационного времени вообще не наблюдался; в то же время не наблюдалось повышения напряжения на ионисторах, которые заряжались 30 секунд и 1 минуту.

       По результатам эксперимента нами был сделан вывод: продолжительность работы ионистора увеличивается с увеличением времени его зарядки.

       

3.6. Исследование зависимости основных характеристик ионистора от природы электролита

Использованное оборудование: в качестве распределителя заряда – медные пластины 4х2 см, в качестве сепаратора – капрон, в качестве наполнителя – мелкодисперсный оксид алюминия, в качестве электролита – насыщенные растворы сульфата калия, нитрата калия, карбоната натрия и гидрокарбоната натрия. Напряжение зарядки – 2,5 В. Время зарядки 10 минут. Регистрационное время – 10 минут. Для каждого электролита эксперимент был проведен пять раз, показано среднее значение для каждой минуты.

Результаты эксперимента отражены на рисунке 9 и в таблице 6 (Приложение 7).

       Как видно из диаграммы и таблицы внутренних сопротивлений, основные характеристики ионистора зависят от природы электролита. А именно:

чем больше число ионов, образующихся при диссоциации, тем больше начальное напряжение:

KNO3 → K+ + NO3-

Na2CO3 → 2Na+ + CO32-

K2SO4 → 2K+ + SO42-

NaHCO3 → Na+ + HCO3- ;  HCO3- ↔ H+ + CO32-.

При диссоциации нитрата калия образуется 2 моль ионов из 1 моль соли. При диссоциации карбоната натрия и сульфата калия образуется по 3 моль ионов из 1 моль соли. При диссоциации гидрокарбоната натрия дополнительные ионы образуются по второй ступени диссоциации [3; 5]. Поэтому по данному пункту выбрано две соли – карбонат натрия и сульфат калия;

при одинаковом количестве образующихся при диссоциации ионов большее напряжение будет на выходе при использовании в качестве электролита соли, не подвергающейся гидролизу (сравним напряжение при использовании карбоната натрия и сульфата калия). Поэтому по данному пункту в качестве лучшего электролита выбран насыщенный раствор сульфата калия.

3.7. Исследование зависимости характеристик ионистора от геометрических параметров наполнителя и распределителя заряда

Использованное оборудование: в качестве распределителя заряда – медные пластины 4х2 см, 10х10 см, в качестве сепаратора – капрон, в качестве наполнителя – мелкодисперсный оксид алюминия толщиной слоя у каждой пластины 0,2 см, 0,5 см, 1 см, 3 см, в качестве электролита – насыщенный раствор сульфата калия. Напряжение зарядки – 2,5 В. Время зарядки 10 минут. Регистрационный период – 10 минут, замеры производились с интервалом в 1 минуту. Для каждого ионистора эксперимент был проведен пять раз, показано среднее значение для каждой минуты. Результаты эксперимента представлены на рисунках 10 и 11 (Приложение 8).

Как видно из диаграмм, в случае использования ионистора с одинаковыми распределителями заряда и относительно тонким (0,2 см, 0,5 см) слоем велико начальное напряжение, при этом, чем тоньше слой, тем оно выше, из чего можем сделать вывод, что внутреннее сопротивление в данном случае будет меньше. Однако саморазряд  у таких ионисторов протекает значительно быстрее, нежели чем у ионисторов с более толстым слоем наполнителя.

В случае же использования ионисторов с распределителями заряда большей площади, но с одинаковой толщиной наполнителя, саморазрядные характеристики ионистор показывает лучшие, чем при использовании распределителей заряда меньшей площади, однако наблюдается меньшее начальное напряжение. Это объясняется тем, что во втором случае используется большее количество наполнителя, значит, образуется большее количество микроконденсаторов, значит, ионистор имеет большую емкость.

В результате эксперимента можем сделать вывод, что основные характеристики ионистора зависят от геометрических параметров наполнителя и распределителей заряда, а именно: при одинаковом объеме наполнителя необходимо уменьшать толщину слоя и увеличивать площадь распределителя заряда. При этом электрическая емкость ионистора будет прежней (так как количество частичек, ионов и, следовательно,  микроконденсаторов останется прежним). Исходя из этого, можем предложить конструкцию ионистора для улучшения его основных характеристик (рис. 12, Приложение 9).

3.8. Сборка батареи ионисторов и расчет ее электрической емкости при разрядке на нагрузку

3.8.1.Соединение ионисторов в батарею последовательно

Использованное оборудование: в качестве распределителей заряда – медные пластины 4х2, в качестве сепараторов – капрон, в качестве наполнителя – оксид алюминия, в качестве электролита – насыщенный раствор сульфата калия. Время зарядки батареи 10 минут. В качестве нагрузки для батареи использовался светодиод красный с падением напряжения от 2,1 В до 1,63 В. Исходя из того, что все ионисторы, входящие в батарею, максимально близки по показателям и при расчетах приняты нами за одинаковые, можно считать, что напряжение зарядки батареи последовательно соединенных ионисторов суммируется. Следовательно, в случае трех ионисторов напряжение зарядки – 7,5 В. Регистрационный период – 30 минут. Саморазряд батареи отражен на рисунке 13 (Приложение 10). Емкость батареи была измерена по формуле: C = (I ∙ t)/(U1 – U2) (7) [4; 5], где С – емкость батареи, I – средняя сила тока в цепи, t – время регистрации падения напряжения, U1 – U2 – падение напряжения. С учётом того, что саморазряд протекает неодинаково в течение всего времени, измерение емкости было произведено на разных промежутках времени. При этом для каждого нового расчёта производилась новая сборка ионистора. Поэтому на рис.13 (Приложение 10) график саморазряда составлен с использованием средних значений для каждой минуты. Расчёт емкости производился пять раз – с 5-й, 10-й, 15-й, 20-й, и 25-й минуты саморазряда со временем регистрации падения напряжения 5 минут. Емкость одного ионистора была оценена исходя из формулы (4). Результаты вычислений показаны в таблице 7 (Приложение 10),  строка «Последовательное соединение».

Результаты экспериментов по сборке батареи ионисторов позволили нам приблизительно оценить емкость одного ионистора. Согласно результатам данной серии экспериментов, средняя емкость одного ионистора составляет приблизительно 1,33 Ф.

3.8.2. Соединение ионисторов в батарею параллельно

       Использованное оборудование перечислено в п. 3.8.1, в качестве нагрузки – светодиод инфракрасный с диапазоном рабочих напряжений от 0,6 В до 1,9 В. Напряжение зарядки в данном случае не может превышать напряжение разложения воды, так как при параллельном соединении конденсаторов каждый из конденсаторов, составляющих батарею, подключен на сетевое напряжение. Исходя из этого, напряжение зарядки нами выбрано в 1,6 В. Время зарядки выбрано с учетом того, что конденсаторы соединены параллельно, т. е. через каждый проходит заряда во столько же раз меньше, сколько конденсаторов соединено в батарею. Согласно формуле (7) и данным суждениям необходимо увеличить время зарядки в такое же количество раз,  в какое уменьшился заряд, проходящий через каждый ионистор. Т. е., в случае батареи из трех параллельно соединенных конденсаторов необходимо увеличить время зарядки в три раза, поэтому время зарядки – 30 минут. Регистрационный период – 60 минут. Саморазряд батареи показан на рисунке 14 (Приложение 10). Исходя из соображений, высказанных в п. 3.8.1, расчет емкости производился пять раз – с 10-й, 20-й, 30-й, 40-й и 50-й минуты саморазряда. Результаты расчётов представлены в таблице 7 (Приложение 10) , строка «Параллельное соединение». 

       По результатам эксперимента видно, что расширить область применения ионисторов можно при соединении их в батарею.

3.9. Выявление математических закономерностей саморазряда ионистора

       Наблюдая за саморазрядами ионисторов, мы заметили определенное сходство их графиков с графиками некоторых математических функций. После более детального изучения математической литературы мы пришли к выводу, что наиболее сходными с графиками саморазряда ионистора являются графики показательных функций с основанием степени а больше нуля, но меньше единицы. Проведя математические операции по методике, представленной в Приложении 11, мы установили средний показатель для лучших графиков саморазряда ионистора во всех экспериментах. При вычислении среднего основания не учитывались начальные значения напряжения и значения напряжения, соответствующие единице абсцисс (10 минутам).  Теоретический график саморазряда ионистора, исследованного в п. 3.2, представлен на рисунке 16 (Приложение 11). Отклонения реальных значений напряжения от теоретических мы считаем удовлетворительными с учетом погрешностей при измерении.