Дослідження суперконденсатора та побудування його еквівалентної схеми

Avatar
Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.
Рівень складності Середній
Рівень небезпеки Безпечно
Доступність використовуваних матеріалів На рівні наукового обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 1 години

Блок 1. Резюме

– предметна галузь: електрика, енергетика;
– стисла анотація роботи: робота спрямована на теоретичне і експериментальне дослідження суперконденсаторів;
– мета: визначення параметрів суперконденсатора та побудова його еквівалентної схеми;
– завдання роботи: визначити ємність, внутрішній опір та опір витоку суперконденсатора;
– складність роботи: для просунутих;
– орієнтовний час на виконання роботи: 1 година;
– доступність використовуваних матеріалів: на рівні наукового обладнання;
– рівень безпеки: безпечно.

Блок 2. Попередня інформація


Рисунок 1 – Варіант побудови експерименту

Суперконденсатор, або іоністор – це електрохімічний пристрій, конденсатор, з органічним або неорганічним електролітом, обкладинками у якому слугує подвійний електричний шар (ПЕШ) на межі розподілу електроду та електроліту. За своїми характеристиками він займає проміжне положення між конденсатором та хімічним джерелом струму.
Електроди суперконденсаторів зазвичай виготовляються з використанням пористих матеріалів, таких як активоване вугілля, або спінений метал. Електроди з таких матеріалів мають дуже велику питому поверхню на одиницю маси, а відповідно і велику площу ПЕШ, за рахунок чого суперконденсатори мають велику електричну ємність.
Схема будови симетричного суперконденсатора представлена на рис. 2.


Рисунок 2 – Схема будови суперконденсатора

З рис. 2 видно, що ПЕШ формується на кожному електроді, отже фактично суперконденсатор складається з двох ПЕШ, які можуть заряджатися подібно до обкладинок звичайного конденсатора. У суперконденсаторі два ПЕШ електрично з’єднані між собою послідовно через рідкий провідний електроліт, який має певний опір. Крім того суперконденсатори мають струм витоку, або струм саморозряду, зумовлений особливостями його будови та неідеальністю електрохімічних процесів.
Таким чином реальний суперконденсатор можна представити у вигляді схеми на рис. 3.


Рисунок 3 – Еквівалентна схема реального суперконденсатора

С1 – ємність подвійного електричного шару додатного електроду;
С2 – ємність подвійного електричного шару від’ємного електроду;
Rвн – внутрішній опір, що є опором електроліту;
Rвит – опір витоку струму, або опір саморозряду.
Еквівалентна електрична схема будь якого пристрою, у тому числі і суперконденсатору є важливим і зручним інструментом під час розробок різноманітних електронних виробів. Вона дозволяє врахувати всі параметри пристрою, які впливають на роботи виробу в цілому.
Ємності ПЕШ обох електродів практично дорівнюють одна одній та дорівнюють подвійній електричній ємності всього суперконденсатора, що витікає з особливостей послідовного з’єднання конденсаторів:

C1 = C2 = 2∙C. (1)

Загальна ємність іоністора, його внутрішній опір та опір витоку визначаються експериментально.
Загальна ємність іоністора визначається за методикою лабораторної роботи за посиланням: https://stemua.science/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%d0%b4%d0%be%d1%81%d0%bb%d1%96%d0%b4%d0%b6%d0%b5%d0%bd%d0%bd%d1%8f-%d0%ba%d0%be%d0%bd%d0%b4%d0%b5%d0%bd%d1%81%d0%b0%d1%82%d0%be%d1%80%d1%83/.
Для визначення внутрішнього опору необхідно на графіку струму розряду визначити максимальне значення, яке відповідає початку розряду та визначити значення напруги іоністора, яке відповідає максимальному значенню струму.
Внутрішній опір іоністора визначається за формулою:

Rвн = Umax/Imax – Rн, (2)

де Rн – опір навантаження іоністора, Ом.
Для визначення опору витоку необхідно підключити іоністор через мікроамперметр, або мультиметр у режимі вимірювання струму, до регульованого джерела живлення і дуже повільно (так щоб не зіпсувати прилад) підняти напругу до певного значення, яке не перевищує робочу напругу іоністора. Потім необхідно дочекатись, моменту коли струм перестане зменшуватись і прийме стале значення. Це і буде струм витоку Iвит при встановленій тестовій напрузі Uт. Опір витоку визначається за формулою:

Rвит = Uт/Iвит. (3)

Досліджувана проблема – визначення параметрів реального суперконденсатора та побудова його еквівалентної схеми.
– ключові терміни та поняття, які дають змогу засвоїти процес виконання роботи: суперконденсатор, іоністор, подвійний електричний шар, електрична ємність, внутрішній опір джерела живлення, струм витоку, еквівалентна електрична схема;
– джерела інформації, які попередньо потрібно опрацювати:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80;
В. Сиротюк, В. Баштовий. Фізика. 11 клас. Підручник / Рівень стандарту. – Харків, 2012.

Блок 3. Обладнання

Зразки суперконденсаторів; набірне поле «Школяр»; регульоване джерело живлення; з’єднувальні провідники; цифровий вимірювальний комплекс з датчиками напруги та струму, мікроамперметр або мультиметр.

Блок 4. Експериментальна процедура

1. Складіть дослідницьку установку за рисунком 1 та рисунками у лабораторній роботі https://stemua.science/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BA%D0%B8/%D0%B4%D0%BE%D1%81%D0%BB%D1%96%D0%B4%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8F-%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%83/.
2. Проведіть вимірювання за методикою лабораторної роботи за посиланням, але напругу на джерелі живлення виставляйте з урахуванням робочої напруги іоністора.
3. За методикою лабораторної роботи визначте заряд іоністора.
4. За отриманими графіками визначте максимальний струм під час розряду та напругу, що йому відповідає.
5. Підключіть іоністор через мікроамперметр, або мультиметр у режимі вимірювання струму, до регульованого джерела живлення і дуже повільно (так щоб не зіпсувати прилад) підніміть напругу до певного значення, яке не перевищує робочу напругу іоністора.
6. Дочекайтеся, моменту коли струм перестане зменшуватись і прийме стале значення. Зафіксуйте струм витоку Iвит і встановлену напругу Uт.

Блок 5. Аналіз отриманих даних

1. Результати досліджень запишіть у таблицю:

2. Визначте загальну ємність іоністора за формулою:

C = q/Umax. (4)

3. Визначте внутрішній опір іоністора за формулою (2).
4. Визначте опір витоку іоністора за формулою (3).
5. Визначте ємності ПЕШ обох електродів за формулою (1).
6. Накресліть еквівалентну схему іоністора за рисунком 3 та вкажіть на ній фактичні значення параметрів, отриманих вами у ході досліджень.

Блок 6. Напрями розвитку

1. Визначення енергоємності та максимальної потужності іоністора.
2. Дослідження наявності індуктивності у іоністорах.
3. Визначення часу, за який іоністор повністю розрядиться через наявність струму саморозряду.