Vježba 3: ISPITIVANJE KONDENZATORA

Transcript

1 Vježba 3: ISPITIVANJE KONDENZATORA Klasični elektrostatski ureñaj za pohranu električnog naboja sastoji se od dvije paralelne metalne ploče, odijeljene električnim izolatorom koji nazivamo dielektrik. Kapacitet kondenzatora ovisi o dielektriku pa se on izabire prema željenom kapacitetu i potrebnoj veličini kondenzatora. Jedinica koja opisuje kondenzator je kapacitet kondenzatora koji pokazuje koliku količinu naboja Q ima odreñeni kondenzator na svojim metalnim pločama pri naponu U. Ploče kondenzatora uvijek su nabijene po iznosu jednakim, a po predznaku suprotnim nabojem. Veza izmeñu kapaciteta, naboja na pločama kondenzatora i napona izmeñu ploča može se prikazati slijedećom relacijom: Q = CU (1) Uz isti naboj na pločama kondenzatora, napon će ovisiti o razmaku ploča, površini ploča i dielektriku izmeñu njih. Kako je naboj jednoliko rasporeñen na pločama površine A, jakost električnog polja ( E ) izmeñu ploča kondenzatora je homogena. Na temelju tog uvjeta dobiju se izrazi za naboj i napon izmeñu ploča koji pokazuju da je kapacitet kondenzatora izravno razmjeran dielektričkoj permitivnosti i aktivnoj površini elektroda, a obrnuto proporcionalan razmaku meñu njima. Q εae εa A = = = = ε ε (2) U Ed d d C r 0 Dakle, što je površina elektroda veća, a razmak izmeñu njih manji, kapacitet je, uz zadani dielektrik, veći. Jedan od najranijih i najjednostavnijih električnih kondenzatora bila je Leydenska staklenka. Izvorna Leydenska staklenka bila je začepljena staklenka napunjena vodom, i sa žicom ili čavlom koji su se protezali iz čepa u vodu. Staklenka je bila nabijena tako da se, držeći je u jednoj ruci, vanjski dio žice dovede u kontakt s električnim ureñajem Ako je dodirnemo drugom rukom nastao bi izboj koji bi se očitovao kao nasilan šok. Današnja Leydenska staklenka je obložena alufolijom izvana i iznutra. Električni kontakt ostvaruje se sa mjedenim štapom koji probija čep i spojen je lancem sa unutrašnjim slojem metala.

2 Danas se proizvode elektrostatski kondenzatori s različitim vrstama dielektrika (tinjac, keramika, staklo, papir, polikarbonat, polistiren) čiji su kapaciteti reda veličine od pikofarada do više stotina mikrofarada. Prema načinu izrade i primjene, kondenzatori se općenito mogu podijeliti na: elektrostatske, elektrolitske i elektrokemijske. Elektrostatski Elektrolitski Elektrokemijski Al 2 O 3 elektrolit ELEKTROLIT Slika 1. Shematski prikaz raznih vrsta kondenzatora Elektrokemijski kondenzatori ili superkondenzatori poznati su dugi niz godina meñutim ozbiljniji razvoj elektrokemijskih dvoslojnih kondenzatora počeo je krajem sedamdesetih godina prošlog stoljeća, u vojne svrhe za izbacivanje projektila elektromagnetskom energijom. Kasnije je razvoj bio potaknut radom na hibridnom električnom vozilu. Razlog zbog čega je u posljednje vrijeme pozornost istraživača usmjerena baš na razvoj elektrokemijskih kondenzatora može se vidjeti na slici 2 gdje je prikazan Ragoneov dijagram. Ragoneov dijagram daje ovisnost specifične snage (W/kg ) i specifične energije (Wh/kg). Na dijagramu se uočava poprilično velika praznina izmeñu klasičnih elektrostatskih kondenzatora i galvanskih članaka koju popunjavaju upravo elektrokemijski kondenzatori.

3 U usporedbi sa elektrostatskim kondenzatorima, specifična enegija elektrokemijskih kondenzatora je znatno veća zbog čega se i u nazivima koriste prefiksi poput ultra ili super. Nadalje, baterije i niskotemperaturni gorivni članci su tipični ureñaji male snage dok konvencionalni kondenzatori mogu imati gustoću snage >10 6 W po dm 3 pri vrlo niskoj gustoći energije te upravo zbog toga, elektrokemijski kondenzatori mogu poboljšati karakteristike galvanskih članaka u pogledu gustoća snage ali i karakteristike klasičnog kondenzatora u pogledu gustoće energije. kondenzator motori sa sagorijevanjem super kondenzator galvanski clanak gorivni clanak Slika 2. Ragoneov dijagram koji prikazuje ovisnosti gustoće snage i gustoće energije U usporedbi s galvanskim člancima kondenzatori imaju dulju životnu dob tj. veći broj ciklusa nabijanja i izbijanja, manji obujam i masu, odnosno veću gustoću snage te mogućnost da se izbiju u vrlo kratkom vremenu. Prema mehanizmu skladištenja naboja postoje dvije vrste elektrokemijskih kondenzatora. Jedna vrsta se naziva elektrokemijski dvoslojni kondenzator, gdje

4 se skladištenje naboja odvija putem razdvajanja električnog naboja na granici faza elektroda/elektrolit. Debljina dvosloja ovisi o koncentraciji elektrolita i veličini iona, a reda je veličine 510Å za koncentrirane elektrolite. Dakle razmak izmeñu "elektroda" dvosloja je i do nekoliko tisuća puta manji od razmaka u elektrostatskim kondenzatorima pa se time postižu kapaciteti reda veličine 1020 µf/cm 2 za glatke elektrode u koncentriranim otopinama elektrolita, što se može procijeniti iz jednadžbe 2. Korištenjem materijala velike specifične površine kao što je aktivni ugljen gdje površina iznosi od 1000 do 2500 m 2 g 1 mogu se postići kapaciteti i do 200 Fg 1. Druga vrsta elektrokemijskih kondenzatora su tzv. pseudokondenzatori koji skladište energiju putem elektrokemijskih reakcija na elektrodama. Kod takvih kondenzatora elektrokemijske reakcije su vrlo brze a karakteristike izbijanja/nabijanja su sukladne kondenzatorima pri čemu se postižu puno veći kapaciteti. Većina naboja u reakciji pseudokondenzatora prenosi se na površini ili u masi materijala u blizini površine čvrste elektrode. Materijali koji se koriste u pseudokondenzatorima imaju veći specifični kapacitet u odnosu na ugljične materijale, pa su i gustoće energije takvih ureñaja obično veće. To su obično oksidi prijelaznih metala kao i vodljivi polimeri. Posebno se ističu RuO 2, IrO 2, Co 3 O 4 i MnO 2 koji u svojim amorfnim i hidratiziranim stanjima mogu postići kapacitete iznosa većih od 700 Fg 1.

5 ZADATAK: a) Provesti ispitivanje elektrostatskog kondenzatora spojenog u seriju s nepoznatim otporom metodom cikličke voltametrije u području potencijala od 1 V do 1 V. Iz dobivenog voltamograma treba odrediti kapacitet kondenzatora. b)snimiti ovisnost potencijala o vremenu prilikom nabijanja i izbijanja kondenzatora konstantnom strujom od 10 µa i to u području potencijala od 0 do 1 V. Iz dobivene ovisnosti izračunati kapacitet, energiju i snagu kondenzatora prema jednadžbi (1) i slijedećim relacijama: ξ = 1 2 CE [ J = Ws] 2 P = ξ t [ W ] d) Ispitati uzorak vodljivog polimera koji je nanesen na platinsku elektrodu metodom cikličke voltametrije u području potencijala 0.2 V do 0.8 V uz brzinu promijene potencijala 20 mv s 1. Odrediti područje potencijala u kojem vodljivi polimer pokazuje kapacitivna svojstva tj. ponaša se kao pseudokondenzator. APARATURA: POTENCIOSTAT radna elektroda referentna elektroda R C Slika3. Aparatura za ispitivanje kondenzatora protu elektroda

6 POTENCIOSTAT Referentna elektroda Radna elektroda Protu elektroda Slika 4. Aparatura za ispitivanje vodljivog polimera