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电工电子技术教学设计
电工电子技术
电容器的物理性质
一、电容器的物理意义
电容器的物理意义可以用式(1.6)表示,即电容、电荷、电势差(电压)的关系。由这个关系以及电荷与电流的关系还可以得到电路与电子学中最常用的电容器上的点和与电流的关系,即
(1.7)
当电流是变化的时,则式(1.7)应写为
(1.8)
在一般的应用中,电容器的两极板间电势差成为电容器上的电压,用人表示。这样由式(1.7)、式(1.8)得到的电容器的电压、电流关系可以用下式表示:
(1.9)
电容器的储能为
(1.10)
其单位是焦【耳】。式(1.10)就是通常表示电容器所具有的储能公式。
二、平板电容器的电容
C = (1.11)
其中,S、d和、分别为电容器的极板面积、极板间的距离、真空的介点系数和极板间介质的相对真空的介电系数,而为
从式(1.11)可以看出,平板电容器的电容与极板面积成正比,与极板间距离成反比,并且与介质相对真空的介电系数成正比。因此,欲获得大的电容,应选用尽可能大的极板面积、尽可能小的极板间距离和尽可能大的极板间介质的介电系数。这就是制造电容器的准则之一。
三、卷绕电容器的电容
式中:C为微法,S为电极面积(厘米2),d为介质厚度(厘米),为介电常数。
电容器的介质
一、介质的相对介电系数
物理现象:在物理学的实验中可以发现,对外界开路的并充以电荷的两电容极板间插入介质后电场力变小。这一现象表明,插入介质的电容器的两极板间的电势减小,由公式得知,在电容的电荷量不变的条件下,电容极板间电压减小的结果必然是电容量的增加。因此,可以看到,电容极板间插入介质可以增加电容量。为增加电容量,通常要在电容的极板间加入相对介电系数较大的介质。
二、介质损耗
在外加电压下,电介质中一部分电能转换为热能的现象,成为介质损耗。一般来说,电介质都有微弱的导电性,但因产生漏电流而引起的能量损耗是较小的。主要的介质损耗是在高频交变电压作用下,高额外电场是在电介质反复极化的过程中发生的。频率越高,发热越显著。当频率为介质谐报频率时,介质将完全吸收外来的能量,并转换为热能而剧烈发热。最典型的现象就是微波炉加热水或食物中的水分,这时的微波能量将“完全”被水吸收,使水得到加热。然而,电容器中的介质决不允许出现这种现象,如果出现类似现象,将使电介质丧失绝缘性能而损坏。
三、介质击穿
在强电场中,电介质会失去极化特征而成为导体,最后导致电介质的损坏(如晶格裂缝、氧化、熔化等)现象,这种现象成为电介质的击穿现象。电介质的击穿有三种形式,即热击穿、化学击穿和点击穿。
热击穿是电介质的损耗一起的。当损耗所产生的热量多于电介质向周围传递的热量时,电介质的温度迅速上升,电导率随之增加,甚至导致电介质的热损坏。所以热击穿总是在电容器最不好的地方发生的。
化学击穿是指电介质长期处于高压下工作之后出现的。强电场会在电介质表面或内部的小孔附近引起局部的空气碰撞电离,从而引起电介质的电晕,生成臭氧和二氧化碳。这些气体对有机缘材料是有害的,会使这些材料的绝缘性能降低,并损坏电介质。
点击穿是电介质在强电场作用下,被激发自由电子而引起的。这时,电介质中出现的电子电流随电场的增加而急剧增大,从而破坏电介质的绝缘性能。
四、介质击穿场强
表:电容器常用介质的相对介电系数、介质损耗和介电强度
介质材料
相对介电系数
介质损耗
介电强度
空气
1.000585
氢气
1.00264
玻璃
5~10
0.01
100~300kV/mm
云母
6~8
0.0005
2000~3000Kv/mm
聚酯薄膜
3.0~3.2
0.005(50Hz)
0.02(100KHz)
300kV/mm
聚丙烯
2.0~2.2
0.0003(50Hz)
400kV/mm
聚苯乙烯
2.5
0.0001(50Hz)
氧化铝
8
70000kV/mm
氧化钽
20
低介电系数陶瓷
高至100
0.01
中介电系数陶瓷
高至1200
0.02
高介电系数陶瓷
1000~12000
0.03
聚四氯乙烯
2.3~3.8
0.01
纯水
81.5
乙醇
25.7
多氯联苯
5.2
0.03(50Hz)
45 kV/2.5mm
十二烷基苯
2.35~2.8
0.0005(50Hz)
60kV/2.5mm
电容器油
2.1
0.006(50Hz)
200 kV/cm
电容器纸
≈2
0.17
280~410kV/mm
苯甲基硅油
2.63~2.8
0.00032(50Hz)
45 kV/2.5mm
蓖麻油
4.2
0.02(50Hz)
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