如何改进一个简单的自制电容器?

电器工程 电容器 物理设计 建造
2022-01-30 04:32:46

我向儿子解释说,电容器只是由电介质隔开并卷起来的 2 片箔片,他说:“那我们可以做一个吗?”

我试一试。我用了家用铝箔和一些羊皮纸。我把箔纸切成两条,大约 100 毫米 x 200 毫米,在它们之间放上羊皮纸,每条都插一个回形针,然后紧紧地卷起来。我很高兴我制作了一个始终测试 9 nF 的设备。

但是,如果我想要有足够大的东西,一旦我们取出电池,我们就可以继续用它点亮一个 LED 很长一段时间,那么 9 nF 还不够好。我们接下来应该尝试什么以希望让我们的电容增加几个数量级?

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我把箔纸切成两条,大约 100 毫米 x 200 毫米,在它们之间放上羊皮纸,每条都插一个回形针,然后紧紧地卷起来。我很高兴我制作了一个始终测试 9 nF 的设备。

我做了一个和你一样大小的电容器,但使用保鲜膜(又名“Saran wrap”)作为绝缘体,得到 37 nF。保鲜膜由称为聚偏二氯乙烯 (PVDC) 的塑料制成,其在 1 kHz 时的介电常数为 3.9。将其充电至 9 VI 后,5 毫米超亮白色 LED 发出了明显的闪光。

希望让我们的电容增加几个数量级?

关于 Saran wrap 的建议是一个很好的建议,但获得几个数量级的最简单方法是记住电容器方程并增加面积。100mm x 200mm 都很好,但如果你使用一整卷箔 + 绝缘体呢?稍加小心,您可以将两个源卷并排放置,然后均匀地滚动到目标纸板管或主轴上。

下一个改进来源是承认电容器(巨大的电压曲线)和 LED(恒定电压)非常不匹配。如果您构建了一个小型降压转换器,您可以将电容器充电至更高电压,从而为相同数量的法拉存储更多能量。不过,最好将其保持在 50V 以下。

平板电容器的电容方程为...
C = E0 * Er * A / D

C = 电容,单位为法拉
E0 = 自由空间的介电常数 = 8.854 pF / m
Er = 电介质的相对介电常数
A = 极板面积平方米
D = 板之间的距离,以米为单位

要增加电容,您可以执行以下任何操作...

  • 增加面积(使用更多箔)
  • 减小距离(使用更薄的绝缘体)
  • 使用具有更高相对介电常数 (Er) 的介电材料
  • 使用湿电介质

由各种材料制成的 100mm x 200mm 电容器的理论电容。

  • Seran Wrap(聚乙烯):E0 x 2.3 100mm x 200mm / 12.7um = 32.1nF
  • 蜡纸:E0 x 2.5 100mm x 200mm / 25um = 17.7nF
  • 20GSM 打印纸:E0 x 2.3 x 100mm x 200mm / 100um = 4.1nF

它通常不可能(特别是使用自制电容器)在箔和固体介电材料之间实现完美接触。这将具有增加 D 以及降低有效 Er 的效果。因此,实际电容可能会小于上面计算的值。

使用湿电
介质 使用湿电介质可以使电介质与铝箔接触,而不会因表面粗糙而产生任何间隙。此外,还有许多容易获得的具有非常高 Er 值的非导电液体。

甘油是一个不错的选择。它的 Er = 47-68,无毒,不会蒸发,并且在沃尔玛等地方的洗手液或药房都可以买到。要使用它,请用甘油浸渍一张薄纸,然后像往常一样将纸放在箔纸之间。

  • 20GSM打印纸+甘油:E0 x 47 x 100mm x 200mm / 100um = 83nF
  • 10GSM 卫生纸 + 甘油:E0 x 47 x 100mm x 200mm / 50um = 166nF
  • 10GSM 卫生纸 + 甘油:E0 x 47 x 100mm x 1m / 50um = 832nF
  • 10GSM 纸巾 + 甘油:E0 x 47 x 100mm x 10m / 50um = 8.32uF

因此,如果您使用浸有甘油的薄纸并使箔纸更长(> 1m),您可以获得接近 1uF 或更多的值。

您可能会发现制造电池更好,但这不是您所要求的。

您可以尝试使用铝箔和纸隔板制作电解电容器。也许一些发动机防冻剂和硼砂作为电解质。最佳混合物未知(我),但硼砂是相当可溶的。

您可以将其卷起,使隔膜浸透电解液,然后将其浸入圆柱形容器中。

如果不充分,您可以施加限流电压一段时间以“形成”氧化层。存储铝箔没有商业电解盖所具有的蚀刻(这极大地增加了有效氧化物表面积),所以我不会期望太多,但您可能会从现代 LED 中获得明显的闪光。

我没有尝试过,但它应该可以工作。

极性将是“形成”电压的极性,但高达一伏或两伏,它应该是双极性的。


编辑:

短暂的尝试产生了一种非常导电的电解质(很好),但泄漏太多(> 1mA),这在这里是一个障碍。我认为有必要使用铝线从电解质中取出(我没有这样做)。这样一来,可以将氧化层阳极氧化到连接到电极的所有材料上。