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电子史:从起电机到超级电容

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范德格拉夫起电机可能是人类第一种可靠的静电发生器。你对它可能并不陌生——在很多的科技馆中,闪亮的大银球就是它最鲜明的标志。发明于1929年的它至今仍作为一种有趣的高压静电产生装置。通过摩擦起电效应,能够使得金属球壳上带上高压静电,并在你触碰到它的同时让你的头发也带上同种电荷,根根竖起。而对于如何将起电机上的电能保存起来,竟然推动电学中的一项伟大发明——电容器的产生。

在刚刚发现电和电所带来的种种现象时,人们倾向于认为电和水、气体一样,是一种流体。在这种思想的指引下,1745年,德国发明家埃瓦尔德想要通过将电引入酒精中的方式保存电能。他找来了一个玻璃瓶,装满酒精,并用金属钉子钉入木塞。将起电机的金属球连接至钉子,同时用手握住玻璃瓶。他注意到如果将导线断开,钉子将具有和起电机上的金属球同样的电学性质——但在很多科学家重复试验后,结果并不具有重复性。当然,今天的我们知道,这样的电容器的两极分别是酒精和手掌,而玻璃则起到了电介质的作用。在改进了设计后,这种设计以实验地“莱顿”命名:莱顿瓶。

莱顿瓶是第一种用以储存电能的装置,也是电容器的原始形态。在当时,莱顿瓶是电学实验供电所不可缺少的设备,但它仍受限于放电过快等问题。后来,放风筝的富兰克林登场了,在著名的风筝引雷实验中,莱顿瓶作为储存雷电电荷的装置得到了广泛地认知。而因为看起来很像,富兰克林第一个将串并联的莱顿瓶称作“Battery”,而它的本意是军事术语“炮台”。

四个并联在一起的莱顿瓶

接下来要出场的两位科学家,你一定不会陌生:亚历山德罗·伏特通过测量电动势和电荷之间的关系得到了电容定律,而迈克尔·法拉第则发现了电容器两极板之间不同的填充物对电容器带电的影响。正因为此,现在我们所用的电压的基本单位为伏特(V)而电容的单位为法拉(F)。根据他们的工作,电容器才可以不局限于液体电介质和金属薄板,各种各样新式的电容器被制作出来。

在电容器刚刚走出莱顿瓶时代时,制作电容器的电介质的选择是云母。云母是一种晶体矿石,非常薄的云母片可以夹在两片铜箔之间,形成一个简单的电容器,但这种电容器的电容量很容易随着铜箔的腐蚀、云母的损坏而改变。

20世纪20年代,德国的云母产量较低,迫使工程师们尝试以陶瓷片替代云母片并取得了成功。最初的电容器使用二氧化钛陶瓷作为电介质,但在1961年,美国的公司利用钛酸钡陶瓷生产的多层陶瓷电容器(MLCC)取得了成功并一直沿用至今,这也就是我们现在所使用的瓷片电容的来历。

我们再把时间回溯一点,莱顿瓶的真正后继者是“湿性电容”,这个名字描述的是电介质的状态。电解质溶液浸没了金属正极,而电容器的外壳作为负极,构成了一只电容器。随着技术的改进,电解质可以以凝胶的形式存在,这就是“干性电容”的诞生。我们现在所使用的铝电解电容即为这样的产品。而将电解质凝胶换成二氧化锰或其他聚合物、极板换成钽箔,我们就得到了钽电解电容。钽电解电容最初是为军事目的而设计的,然而现在它也变成了一种寻常电器中常用的选择。

最后,我们来说一说超级电容。你可能已经了解到“法拉”其实是一个非常大的电容单位,而超级电容更是可以达到几千法拉的电容量等级。超级电容的学名叫做“双电层电容器”,与其他的电容器相比,超级电容主要针对储存电能而设计。它所具有的极高的功率密度(远大于电池)使得它能够以大电流、极快速的方式放出大量能量,非常适合电动汽车、能量储存等应用。

历史是未来的一部分,而未来又会变成新的历史,电容器虽然已经有了百年的历史,但当今新的发展仍然日新月异,想必法拉第在对电容器进行研究的时候,没有想过未来会出现上千法拉级别的超级电容器吧!

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