¿Qué material puedo utilizar como dieléctrico en mis propios condensadores de alta tensión?

Necesito condensadores clasificados para 50 kV. Comprarlos es una opción, pero los que he visto con el voltaje adecuado cuestan más de 50 €, lo cual es demasiado.

Es por eso que quiero hacer gorras por mi cuenta, pero el simple truco del papel de aluminio - papel de plástico - papel de aluminio no es suficiente. Dichos casquillos apenas pueden resistir tensiones superiores a 5 kV. Planeo ceñirme al aluminio (¿buena idea?) para las placas, pero necesito un dieléctrico mucho más fuerte.

He oído hablar de varios materiales para usar como dieléctrico para voltajes tan altos:

  • Agua destilada: Tiene un voltaje de ruptura de 65 a 70 MV/m ( Wikipedia ). El problema es la formación de iones en microsegundos después de aplicar el voltaje, lo que provoca una avería inmediata. Esto se puede prevenir manteniendo el agua fluyendo y desionizándola de alguna manera. Eso es bastante complicado, ya que necesitaría una bomba, un filtro y un circuito de agua.
  • Papel encerado: Tiene un voltaje de ruptura de 40 a 60 MV/m ( Wikipedia ). El papel encerado es, hasta donde yo sé, básicamente lo mismo que el papel para hornear. Sería mucho más fácil de usar que el agua, pero viene en espesores de alrededor de 0,1 mm. Suponiendo una rigidez dieléctrica de 40 MV/m (= 40 000 V/mm), debería tener al menos 1 mm de espesor. No creo que doblarlo/poner varias hojas una encima de la otra funcione.

¿Tienes alguna idea sobre cómo lograr mi objetivo? Wikipedia enumera muchas sustancias químicas con nombres crípticos que tienen una fuerza dieléctrica alta. ¿Quizás uno de esos es fácil de obtener/producir y puede ser usado por un aficionado como yo? A ver si alguien tiene más experiencia en este tema que yo.

Necesito los capacitores para un Generador Marx alimentado por un transformador flyback que suministre aproximadamente 50kV. La capacitancia no es demasiado importante, pero cuanto mayor sea, mejor.

¿Jugar con altos voltajes con piezas de bricolaje? Qué podría posiblemente ir mal aquí...
Me vienen a la mente láminas de teflón: posiblemente plásticos de menor costo como Mylar, policarbonato, etc. Los lugares de mejoras para el hogar le venderán unos pocos pies cuadrados de policarbonato (varios mm de espesor) por una suma razonable: busque la rigidez dieléctrica y la permitividad usted mismo.
Que capacitancia necesitas?
¿Qué tan alto debe ser su voltaje de salida? en un norte generador de etapa Marx, cada capacitor solo está expuesto a V o tu t norte voltios
Las personas que fabrican bobinas de Tesla a veces usan placas de vidrio. Si puede obtener la capacitancia requerida y su demostración no se mueve mucho, esto podría funcionar para usted.
@JRE No sé qué tan alta será la salida, pero la entrada es de 50 kV, por lo que cada límite debe soportar eso. La capacitancia no es demasiado importante, pero cuanto mayor sea, mejor. Agregué esta información a mi pregunta también.
Puede ser más económico comenzar con un voltaje más bajo y usar más etapas. Si comienza en 15kV, encuentro cerámicas de 2nF, 15kV en Digikey por unos pocos dólares cada una. Necesita 3 veces más para obtener el mismo voltaje que a partir de 50 kV, pero cuesta 1/3 más comprar las piezas.
El voltaje de salida es el número de etapas multiplicado por el voltaje de entrada (menos las pérdidas). ¿Cuántas etapas (condensadores y chispas) iba a usar?
@JRE Todavía no planeé el Generador de Marx. Por ahora estoy buscando los condensadores correctos, asumí que habrá suficientes disponibles sin importar si los construyo o los compro.
Necesitas planificar las cosas. Puede ser mucho más barato usar un voltaje de arranque más bajo y más etapas porque las piezas con un voltaje más bajo son drásticamente más baratas.
¿Qué vas a hacer con la salida de alto voltaje? Eso te dirá qué voltaje necesitas alcanzar.
@JRE Escuché que se pueden usar para láseres, pero creo que sería mejor no hacerlo. Por ahora no pienso hacer nada con eso. Supongo que lo estoy haciendo porque la idea de los relámpagos hechos por el hombre me llamó la atención.
Se necesitan unos 30 kV por centímetro de chispa. Tus 50 kV ya arrojarán una chispa de aproximadamente 1,6 cm (2/3 de pulgada). ¿Cuánto tiempo querías que duraran esas chispas?
@JRE No sé si hay límites para los generadores de Marx, pero digamos que uso 6 tapas (o arreglos de condensadores). Eso sería 300 kV. Eso es 18 (o 24, solo para estar seguros) de las tapas más débiles, ¿verdad?
el papel encerado no es papel para hornear... el papel para hornear es papel pergamino

Respuestas (2)

Olvidó mencionar cuánta capacitancia necesita. Verá, esta regla de aluminio en mi escritorio y la pizarra de acero a 2 m de distancia forman un capacitor de 50 kV excelentemente seguro. Simplemente tiene una capacitancia muy baja. Es posible que desee tomar una decisión al respecto :)


No veo cómo el enfoque de la bomba lo acercaría al bajo costo de dos condensadores de 50 kV (la situación no es exactamente tan mala, pero 30 € sigue siendo dinero). Además, parece que está descuidando el problema difícil aquí (agua desionizada y asegurándose de que todos los conductos no introduzcan iones) y concéntrese en las cosas fáciles (bombeo de agua).

El papel encerado es, hasta donde yo sé, básicamente lo mismo que el papel para hornear.

Si ese fuera el caso, sus galletas sabrían a vela y se pegarían al papel.

Que no es; el papel encerado es principalmente una capa de parafina (o alguna otra forma de cera sintética con bajo contenido de agua, pero la parafina es realmente la primera opción) aplicada a un "núcleo" de papel para mayor estabilidad.

Probablemente pueda comprarlo o hacerlo usted mismo, pero honestamente querría trabajar de manera muy limpia, muy seca y muy uniforme para que no obtenga ningún punto en su pedazo de papel encerado que tenga potencial para romperse. como un rayo disparado a través de una mezcla de cera, una mecha de papel y alto voltaje es probablemente un muy buen método para iniciar un fuego que produce una gran cantidad de humo espeso muy rápidamente.

Al menos podría abordar eso sobredimensionando enormemente el grosor de su cera, pero eso reduciría la capacitancia de su capacitor (eso es básicamente inversamente proporcional al grosor dieléctrico).

Además, recuerda, incluido todo el esfuerzo que pones en fabricar cosas con precisión y todas las herramientas y suministros que necesitas para este esfuerzo único, todavía estás tratando de bajar de ~ 100 €. Creo que encontrará que esto es un problema práctico una vez que realmente se siente a hacer un cálculo aproximado de costos.

¿Tienes alguna idea sobre cómo lograr mi objetivo?

Sí:

Wikipedia enumera muchas sustancias químicas con nombres crípticos que tienen una fuerza dieléctrica alta.

¡Pues investiga estos!

Honestamente, el papel encerado es probablemente un buen punto de partida: si puede encontrar una forma perfecta de espacio de aire y sin burbujas de construir un condensador inundado con cera (es decir, inundado con parafina), puede adquirir o fabricar uno propio. papel encerado.

Acabo de mencionar el condensador de agua para completar, realmente nunca planeé hacer eso. Por otro lado, uno podría configurar un sistema de este tipo y tener múltiples tapas al mismo tiempo. Eso podría ser más barato en total, pero no lo intentaré. Gracias por corregir mi creencia sobre el papel encerado. El inglés no es mi primer idioma y los traductores me dieron varias traducciones diferentes. Echaré un vistazo a los diferentes papeles encerados que hay. Gracias @MarcusMüller
una "x" en cera ;) Realmente no creo que lo del agua sea ni remotamente realizable para ti, para ser honesto.
Probablemente tengas razón. Simplemente sonaba genial tener este circuito en mi habitación con agua flotando constantemente y destellos repentinos entre las tapas cuando se dispara el Generador Marx.
Realmente todavía necesita definir una capacitancia mínima . Como ilustra mi ejemplo inicial, su declaración "la capacitancia no importa" es falsa y no funciona. Entonces, haga un cálculo aproximado de cuánta capacitancia necesitará y agregue ese número a su pregunta.
¿Es 1000pF un número realista? @MarcusMüller
sí, pero es un capacitor bastante grande (y, por lo tanto, costoso) a estos voltajes nominales. ¡Calcule la energía almacenada cuando carga eso hasta decir, 25 kV! ¿Cómo calculaste esa capacitancia?
Eso es 0.3125 J si no me equivoco. No calculé esa capacitancia. Tengo tapas de 10kV 2500 pF (para mi primer generador Marx) por ahí, así que pensé que debería ser un poco más bajo. @MarcusMüller
Solo un cálculo rápido: 1 m ^ 2 de poliestireno de 1 mm debería producir alrededor de 22 nF. O: 1 hoja de Mylar de 10 mil debe producir alrededor de 6 nF. en.wikipedia.org/wiki/Capacitancia#Condensadores
@frr Recuerde: 1 mm de poliestireno soporta 50 kV (soporta ~20 kV, con mucho optimismo), y 10 µm de Mylar tiene una rigidez dieléctrica de unos 6 kV. Entonces, ¡ninguno de los dos funcionaría aquí!
@Marcus Müller: gracias por el comentario. Claro, dejé que el cartel original encontrara algunos datos sobre la rigidez dieléctrica y lo vinculé a la fórmula básica del capacitor: permitividad * (A / d). Y en el PDF sobre Mylar que vinculé en mi respuesta, puede encontrar una nota y un gráfico que detalla el desafortunado hecho de que a medida que la capa de dieléctrico se vuelve más gruesa, su fuerza dieléctrica volumétrica nominal tiende a disminuir gradualmente :-( así que no es un proporción lineal simple Pierdes más en términos de capacidad de lo que ganas en fuerza de aislamiento...

El final de la diversión con la electricidad estática llega exactamente donde empiezas a hablar de condensadores :-( Porque E = 1/2 * CU^2, y porque lo que te hace daño es la corriente, y I = U / R.

Hace años, construí un simple generador de electricidad estática estilo Van de Graaf: solo un trozo de tubo de PVC de alcantarillado de 160 mm (unos 200 mm de largo), montado en un eje con una manivela, un trozo de piel sintética para cargar la superficie y un cepillo de cobre suave improvisado como colector. Y lo usé para cargar un pequeño frasco Leyden, hecho del "cubo" de plástico que se usa para albergar un "pastel" de medios CDR (supongo que 100 piezas, unos 15 cm de profundidad). La pared tiene alrededor de medio mm de espesor y el material probablemente sea polietileno.

Entonces, el punto era simular descargas estáticas accidentales en algunos puntos expuestos a tierra en una PC montada en un vehículo, que nos estaban enviando RMA, con una descripción del problema que es susceptible a la estática al insertar un dongle USB...

Cuando el aire estaba seco, la combinación de generador + vaso de Leyden pudo formar un arco de quizás 3-4 mm, nos ayudó a reproducir el problema y a tomar contramedidas, y me enseñó una lección cuando accidentalmente toqué el polo vivo del vaso: me dio un buen susto, a pesar de que apenas había movido la manivela (desde la última descarga de la jarra), el "indicador de carga" de papel de aluminio estaba perfectamente flojo, y no había chispa cuando toqué el punto óptimo. Lo que más me sacudió fue el horror al pensar cómo se sentiría si tocara el frasco cuando estuviera completamente cargado. Donde vivo, se necesita un grado bastante alto de capacitación (y exámenes difíciles) para poder trabajar legalmente con alto voltaje.

Hablando de materiales, recuerdo que las hojas de Mylar tamaño A4 se vendían como transparencias xerox. Probablemente no sean exactamente baratas, a menos que pueda encontrar una pila sin usar y olvidada en algún lugar (ya que hoy en día usamos proyectores digitales. Las transparencias Mylar son tan del siglo pasado). Muy similares a las transparencias Xerox, solo que más baratas, son cubiertas de encuadernación de oficina- también plástico transparente bastante resistente y brillante (vinilo/PVC/poliéster), en la forma más simple, solo un paquete de 100 hojas A4 de 8-10 mil (10 mil = 0,25 mm). Las tapas de encuadernación no son resistentes al calor; solía ser un error popular colocar una tapa de encuadernación en una xerox o una impresora láser :-) Tal vez evite materiales que sean nominalmente antiestáticos. En casa tenemos unos "blocs de espacio de trabajo" de plástico, de poco más de tamaño A4, de unos 0,3 mm de grosor. Aparentemente, las almohadillas están hechas de nailon o algún material resistente (aunque probablemente no sea de teflón). Probablemente no eran muy baratos... generalmente en las tiendas que venden papel, artículos de oficina y escolares, etc., recuerdo varias carpetas y útiles escolares que consisten en láminas de plástico.

Si busca un grosor de 1 mm o más, he visto láminas de varios materiales plásticos vendidos en tiendas de pasatiempos y tiendas de "materiales para artesanos" por aquí: polietileno, polipropileno, vidrio plástico acrílico, policarbonato, vidrio de poliestireno. Las láminas de plástico también se utilizan para la producción de letreros/publicidad. Recuerdo haber comprado una hoja de aproximadamente 1x2 m de "poliestireno endurecido" blanco (probablemente también conocido como "poliestireno de alto impacto") de uno de esos proveedores.

Algunos de los materiales de las láminas están disponibles en negro u otro color sólido, especialmente con la variedad negra, temo que el pigmento sea conductor (carbono). Para su propósito, opte por la variante "natural" (sin pigmentos = las hojas suelen ser transparentes o blancas o simplemente ligeramente teñidas).

O, por supuesto, podría usar una pila de vidrio plano :-)