Исследовательская работа Зависимость характеристик ионисторов от различных факторов (стр. 1 )

ГУО «Средняя школа № 7 г. Борисова»

Исследовательская работа

Зависимость характеристик ионисторов

от различных факторов

  Работу выполнил

  учащийся 11 класса

  ,

  Руководитель:

  ,

  учитель химии

  ГУО «СШ № 7 г. Борисова»

Борисов 2012

Оглавление

1.Введение …………….………………………………………………………….3

2. Теоретическая часть………...……………………………………………

         2.1. Устройство ионистора, особенности его работы и конструкции.....3 

3. Экспериментальная часть……………………………………………..

       3.1. Концепция сборки ионистора………………………………………..6

       3.2. Исследование зависимости основных характеристик ионистора от материала распределителей заряда ……………………………………………6

       3.3. Исследование зависимости основных характеристик ионистора от материала сепаратора…………………………………………………………...7

       3.4. Исследование зависимости основных характеристик ионистора от материала наполнителя…………………………………………………………7

       3.5 Исследование зависимости основных характеристик ионистора от времени зарядки…………………………………………………………………8

       3.6. Исследование зависимости основных характеристик ионистора от природы электролита……………………………………………………………9

3.7. Исследование зависимости основных характеристик ионистора от геометрических параметров распределителей заряда и наполнителя……….9

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

  3.8.1. Соединение ионисторов в батарею последовательно……….10

  3.8.2. Соединение ионисторов в батарею параллельно…………….11

  3.9. Выявление математических закономерностей саморазряда ионистора……………………………………………………………………….11

4. Заключение……………………………………………………………..12

5. Список источников………………………………………………….13

6. Приложение…………………………………………………………….14

1. Введение

       С развитием электротехники нельзя не затрагивать вопрос об ее электропитании. Разрабатываются и внедряются все более серьёзные системы, результатом деятельности которых являются различного рода операции и манипуляции с токами или данными. К таким системам относятся, например, электронные вычислительные машины. Чем серьёзнее система, тем большей надежности она требует в работе. При питании системы помимо прочих актуален вопрос о стабильности системы, который должен быть решен независимо от того, осуществляется ли электропитание системы от сети или от аккумулирующего энергию источника. Если рассматривать электропитание системы от сети, то необходимо обеспечивать бесперебойность питания и надежную защиту системы от скачков напряжения в цепи. Если рассматривать питание системы от аккумулирующего энергию источника, то основным показателем такого источника будут его мощность и электрическая емкость. Оба вопроса находятся в постоянном рассмотрении, для их решения привлекаются специалисты в области физики и электрохимии. И ни один из этих вопросов пока не решен окончательно. Помочь их решить смогут ионисторы.

       Предметом настоящего исследования является ионистор.

       Своей целью мы определили исследование факторов, влияющих на характеристики ионистора, а также исследование батареи ионисторов.

       Задачи  настоящего исследования:

изучить литературные данные об ионисторах; исследовать зависимость основных характеристик ионистора от материала распределителей заряда, наполнителя и сепаратора, природы электролита, времени зарядки и геометрических параметров наполнителя и распределителей заряда; оценить внутреннее сопротивление ионисторов и выявить его зависимость от материала распределителей заряда, наполнителя и сепаратора, природы электролита, времени зарядки; выполнить сборку, зарядку и разрядку батареи ионисторов на нагрузку с проведением мониторинга саморазряда и измерением емкости батареи; выявить математические закономерности саморазряда ионисторов.

       Методы исследования: сравнительный анализ литературы, эксперимент.

2. Теоретическая часть

2.1. Устройство ионистора, особенности его работы и конструкции 

       Ионисторы – это неполярные электрохимические приборы, способные накапливать и высвобождать энергию благодаря образованию двойного электрического слоя. По принципу действия ионистор отличается и от аккумуляторной батареи, и от электролитического конденсатора. В аккумуляторной батарее для накопления и высвобождения энергии используются обратимые химические реакции. В электролитическом конденсаторе заряд накапливается на обкладках под действием электрического поля [1; 4].

       В ионисторе для накопления энергии применяется механизм образования двойного электрического слоя.

Двойной электрический слой – это два очень близких друг к другу слоя зарядов разного знака, но с одинаковой поверхностной плотностью. Образуется на границе раздела двух фаз, одна из которых – жидкая. Во время образования этого слоя ионы электролита приближаются к заряженным частичкам противоположного знака [5; 2].

Поскольку наряду с движением ионов под действием электрического поля существует еще и тепловое движение ионов, двойной электрический слой является размытым. Условно он состоит из двух слоев – слоя Гельмгольца и слоя Гуи (Приложение 1, рис. 1). Слой Гельмгольца – это наиболее плотный слой ионов вблизи частички наполнителя. Слой Гуи образуется вследствие противодействия сил теплового движения ионов и электродвижущей силы.

В ионисторе наиболее важным является слой Гельмгольца, находящийся в непосредственной близости к частичке наполнителя. Количество ионов, участвующих в образовании слоя Гельмгольца, определяется зарядом частички. Учитывая тот факт, что при пространственном разделении зарядов образуется разность потенциалов, можно утверждать, что при образовании двойного электрического слоя образуется своеобразный конденсатор, расстояние между обкладками которого определяется молекулярными размерами. В случае ионистора это расстояние между слоем Гельмгольца и частичкой. Как уже говорилось выше, это расстояние очень мало. Исходя из определения простейшего конденсатора, можно утверждать, что емкость такого конденсатора будет велика относительно его размеров  [5].

       С увеличением количества частичек увеличивается количество микроконденсаторов. Они соединены между собой в сложнейшую систему. Электрическая емкость такой системы тем выше, чем большее количество частичек задействовано. Следовательно, в случае ионистора необходимо использование мелкодисперсного или пористого наполнителя. К таким наполнителям относятся, например, оксиды металлов, активированный уголь, поролон. Однако при погружении в раствор электролита этих наполнителей образование двойного электрического слоя происходит с участием относительно малого количества ионов электролита. Но если сообщить частичкам наполнителя статичный заряд (то есть, перегруппировать заряды на поверхности частичек электризацией соприкосновением или влиянием), то процесс образования двойного электрического слоя пройдет с участием гораздо большего количества ионов электролита, значит, образуется гораздо больше микроконденсаторов. Поэтому необходимо максимально распределить заряд, поступающий от зарядного устройства между частичками наполнителя – то есть, использовать распределители заряда. Распределители заряда должны иметь относительно большую площадь контакта с частичками наполнителя. В качестве распределителей заряда можно использовать, например, металлические пластины.

       Однако в случае соприкосновения разноименно заряженных частичек их суммарный заряд уменьшится. Для нормальной работы ионистора такое соприкосновение недопустимо. Для его предотвращения в конструкцию ионистора вводится сепаратор из диэлектрика. Он должен пропускать электролит, но не пропускать частички наполнителя. В качестве сепараторов могут использоваться  различные полимеры в виде тканей.

       На основании вышесказанного можно предложить примерную схему конструкции ионистора (Приложение 1, рис. 2). При соблюдении этой схемы для нормальной работы ионистора также необходима химическая инертность составных частей ионистора. Нельзя допускать электролиза электролита, что приводит нас к главному недостатку ионистора: напряжение на ионисторе не должно превышать напряжения разложения электролита (в случае использования водного раствора неорганического электролита – 1,5 – 1,7 вольт). 

       В качестве электролитов используются насыщенные растворы сильных электролитов. Сильные электролиты полностью диссоциируют на ионы, значит, при их использовании образуется больше ионов, следовательно, больше микроконденсаторов.

       Следует коснуться еще одного недостатка ионистора. Исходя из конструкции ионистора, его внутреннее сопротивление достаточно велико, так как велико количество микроконденсаторов, каждый из которых обладает собственным сопротивлением. Следовательно, необходимо его учитывать при зарядке ионистора, то есть, выставлять на зарядном устройстве напряжение большее, чем рабочее напряжение ионистора. Зависимость внутреннего сопротивления ионистора от различных факторов также будет нами исследована.

       На основании всего вышесказанного мы выдвинули гипотезу, что характеристики ионистора зависят от природы распределителей заряда, наполнителя, от природы электролита и от природы сепаратора.

Основными характеристиками ионистора являются его саморазрядные характеристики, зарядные характеристики и внутреннее сопротивление. Под саморазрядными характеристиками следует понимать начальное напряжение на ионисторе и динамику падения напряжения на ионисторе с течением времени, которая отражается в диаграммах. Под зарядными характеристиками следует понимать напряжение зарядки ионистора, при котором он заряжается до номинала.