水电容器

水电容器是一种以水为介电绝缘介质的装置。

电容器是一种引入电能并可以储存以备后用的装置。电容器由被非导电区域隔开的两个导体组成。非导电区域称为电介质或电绝缘体。传统电介质的例子有空气、纸和某些半导体。电容器是一个独立的系统，是隔离的，没有净电荷。导体必须在其相对表面上保持相等且相反的电荷。

传统电容器使用玻璃或陶瓷等材料作为绝缘介质来存储电荷。水电容器主要是作为一种新奇物品或用于实验室实验而创建的，并且可以用简单的材料制成。水表现出自我修复的品质；如果水中发生电气故障，它会迅速恢复到其原始和未损坏的状态。其他液体绝缘体在击穿后容易碳化，并且随着时间的推移往往会失去其保持强度。使用水的缺点是它可以保持电压的时间很短，通常在微秒到十微秒(μs)的范围内。去离子水相对便宜并且对环境安全。这些特性以及高介电常数使水成为制造大型电容器的绝佳选择。如果可以找到一种方法来可靠地增加给定场强的延迟时间，那么水电容器将会有更多的应用。水已被证明不是一种非常可靠的长期存储电荷的物质，因此工业应用中的电容器使用了更可靠的材料。然而，水具有在击穿后自我修复的优点，如果水通过去离子树脂和过滤器稳定循环，则可以稳定损耗电阻和介电行为。因此，在某些不寻常的情况下，例如产生极高电压但非常短的脉冲，水电容器可能是一种实用的解决方案——例如在实验性X射线脉冲发生器中。介电材料被定义为是电绝缘体的材料。电绝缘体是一种不允许电荷流动的材料。电荷可以作为电子或离子化学物质流动。根据这个定义，液态水不是电绝缘体，因此液态水不是电介质。水的自电离是一小部分水分子解离成正离子和负离子的过程。正是这个过程使纯液态水具有其固有的导电性。由于自电离，在环境温度下纯液态水具有与半导体锗相似的本征电荷载流子浓度，并且本征电荷载流子浓度比半导体硅高三个数量级，因此，基于电荷载流子浓度，水不能被认为是纯介电材料或全电绝缘体，但是有限的电荷导体。

测量了放置在装有超纯水的容器中的铂平行板电容器的放电。只有当电压非常低时，观察到的放电趋势才能通过修正的泊松-玻尔兹曼方程来描述。并且系统电容表现出依赖于两个铂板之间的间距。考虑系统作为平面电容器计算的水的介电常数似乎非常高。这种行为可以用超介电材料理论来解释。超介电材料理论和简单测试表明，平行板电容器外部的材料显着增加了电容、能量密度和功率密度。极板之间只有环境空气的简单平行板电容器的行为符合标准理论。一旦同一电容器部分浸没在去离子水(DI)或溶解NaCl浓度低的DI中，电极之间仍然只有环境空气，低频时的电容、能量密度和功率密度增加了7倍以上数量级。值得注意的是，传统理论排除了板之间体积之外的材料会以任何方式影响电容行为的可能性。对金属电极间的纯水施加0.1～0.82V电压的效果进行了研究。跟踪水合氢离子远离阳极和氢氧根离子向阳极的移动。这种运动导致形成具有急剧上升的电场和大约12的xxxpH值的离子双层。在阴极，发生相反的情况，并且pH值达到大约1.7的最小值。已经使用用于产生均匀电场的平行板电容器研究了纯水管从导电到介电屏蔽电场的转变。两根同心丙烯酸有机玻璃管垂直穿过板间产生的电场。管之间的区域充满空气或水。悬挂在内部有机玻璃管内的电极用于感应其位置的电势。传感器的设计使其可以旋转以测量第二个对称位置的电势。从两个电位的差异，可以确定电场的幅度和相位的频率依赖性。在管之间加入去离子水，从100Hz到300kHz测量内部电场的幅度和相位。观察到具有不可忽略的电导率的介电管预期的高通滤波器频率响应。拟合数据得出了水的电导率与其介电常数之比的非常合理的实验值。该模型还预测，在零频率（静电场）下，纯水将表现为法拉第笼。

一种简单类型的水电容器是通过使用充满水的玻璃罐和某种形式的绝缘材料来覆盖罐子的末端而制成的。水电容器由于其对于给定电容的大物理尺寸而未在工业界广泛使用。水的电导率变化非常快，如果暴露在大气中，则无法预测。许多变量，如温度、pH值和盐度已被证明会改变水中的电导率。因此，在大多数应用中，水电容器都有更好的替代品。经过仔细净化的水的脉冲耐受电压可能非常高——超过100kV/cm（相比之下，在干燥空气中相同电压约为10cm）。电容器设计用于在与充电源断开连接时存储电能。与更传统的设备相比，水电容器目前不是工业应用的实用设备。可以通过向水中添加电解质和矿物质来增加电容，但这会增加自泄漏，并且不能超过其饱和点。

现代高压电容器可能会在断电后很长时间内保留其电荷。如果存储的能量超过几焦耳，这种电荷可能会导致危险甚至可能致命的电击。在低得多的水平上，存储的能量仍然会对连接的设备造成损坏。水电容器，自放电，（对于完全纯水，仅热电离，在25°C(77°F)时，电导率与介电常数之比意味着自放电时间约为180μs，温度越高或溶解杂质越快）通常不能储存足够的剩余电能，从而造成严重的人身伤害。与许多大型工业高压电容器不同，水电容器不需要油。在许多旧式电容器设计中发现的油对动物和人类都可能有毒。如果电容器破裂并释放出油，油通常会进入地下水位，随着时间的推移会导致健康问题。

电容器最初可以追溯到由荷兰物理学家PietervanMusschenbroek创建的称为Leydenjar的设备。Leyden罐由一个玻璃罐组成，罐的内部和外部都有锡箔层。棒状电极通过小链或线直接连接到箔的内层。该设备存储了琥珀和羊毛摩擦在一起时产生的静电。尽管电容器中使用的设计和材料在历史上发生了很大变化，但基本原理保持不变。一般来说，电容器是非常简单的电气设备，在当今技术先进的世界中可以有很多用途。现代电容器通常由夹在绝缘体周围的两个导电板组成。电气研究员尼古拉特斯拉将电容器描述为炸药的电气等效物。