電路中的基本元件-電容器42

1、電容器的物理性質(zhì)一、電容器的物理意義電容器的物理意義可以用式（1.6）表示，即電容、電荷、電勢(shì)差（電壓）的關(guān)系。由這個(gè)關(guān)系以及電荷與電流的關(guān)系還可以得到電路與電子學(xué)中最常用的電容器上的點(diǎn)和與電流的關(guān)系，即 （1.7）當(dāng)電流是變化的時(shí)，則式（1.7）應(yīng)寫(xiě)為 （1.8）在一般的應(yīng)用中，電容器的兩極板間電勢(shì)差成為電容器上的電壓，用人表示。這樣由式（1.7）、式（1.8）得到的電容器的電壓、電流關(guān)系可以用下式表示： （1.9）電容器的儲(chǔ)能為 (1.10) 其單位是焦【耳】。式(1.10)就是通常表示電容器所具有的儲(chǔ)能公式。二、平板電容器的電容 C = (1.11) 其中，S、d和、分別為電容器的極板面

2、積、極板間的距離、真空的介點(diǎn)系數(shù)和極板間介質(zhì)的相對(duì)真空的介電系數(shù)，而為從式(1.11)可以看出，平板電容器的電容與極板面積成正比，與極板間距離成反比，并且與介質(zhì)相對(duì)真空的介電系數(shù)成正比。因此，欲獲得大的電容，應(yīng)選用盡可能大的極板面積、盡可能小的極板間距離和盡可能大的極板間介質(zhì)的介電系數(shù)。這就是制造電容器的準(zhǔn)則之一。三、卷繞電容器的電容 式中：C為微法，S為電極面積（厘米²），d為介質(zhì)厚度（厘米），為介電常數(shù)。電容器的介質(zhì)一、介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)物理現(xiàn)象：在物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)外界開(kāi)路的并充以電荷的兩電容極板間插入介質(zhì)后電場(chǎng)力變小。這一現(xiàn)象表明，插入介質(zhì)的電容器的兩極板間的電勢(shì)減小

3、，由公式得知，在電容的電荷量不變的條件下，電容極板間電壓減小的結(jié)果必然是電容量的增加。因此，可以看到，電容極板間插入介質(zhì)可以增加電容量。為增加電容量，通常要在電容的極板間加入相對(duì)介電系數(shù)較大的介質(zhì)。二、介質(zhì)損耗在外加電壓下，電介質(zhì)中一部分電能轉(zhuǎn)換為熱能的現(xiàn)象，成為介質(zhì)損耗。一般來(lái)說(shuō)，電介質(zhì)都有微弱的導(dǎo)電性，但因產(chǎn)生漏電流而引起的能量損耗是較小的。主要的介質(zhì)損耗是在高頻交變電壓作用下，高額外電場(chǎng)是在電介質(zhì)反復(fù)極化的過(guò)程中發(fā)生的。頻率越高，發(fā)熱越顯著。當(dāng)頻率為介質(zhì)諧報(bào)頻率時(shí)，介質(zhì)將完全吸收外來(lái)的能量，并轉(zhuǎn)換為熱能而劇烈發(fā)熱。最典型的現(xiàn)象就是微波爐加熱水或食物中的水分，這時(shí)的微波能量將“完全”被水吸

4、收，使水得到加熱。然而，電容器中的介質(zhì)決不允許出現(xiàn)這種現(xiàn)象，如果出現(xiàn)類似現(xiàn)象，將使電介質(zhì)喪失絕緣性能而損壞。三、介質(zhì)擊穿在強(qiáng)電場(chǎng)中，電介質(zhì)會(huì)失去極化特征而成為導(dǎo)體，最后導(dǎo)致電介質(zhì)的損壞（如晶格裂縫、氧化、熔化等）現(xiàn)象，這種現(xiàn)象成為電介質(zhì)的擊穿現(xiàn)象。電介質(zhì)的擊穿有三種形式，即熱擊穿、化學(xué)擊穿和點(diǎn)擊穿。熱擊穿是電介質(zhì)的損耗一起的。當(dāng)損耗所產(chǎn)生的熱量多于電介質(zhì)向周圍傳遞的熱量時(shí)，電介質(zhì)的溫度迅速上升，電導(dǎo)率隨之增加，甚至導(dǎo)致電介質(zhì)的熱損壞。所以熱擊穿總是在電容器最不好的地方發(fā)生的?；瘜W(xué)擊穿是指電介質(zhì)長(zhǎng)期處于高壓下工作之后出現(xiàn)的。強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)在電介質(zhì)表面或內(nèi)部的小孔附近引起局部的空氣碰撞電離，從而引起電介

5、質(zhì)的電暈，生成臭氧和二氧化碳。這些氣體對(duì)有機(jī)緣材料是有害的，會(huì)使這些材料的絕緣性能降低，并損壞電介質(zhì)。點(diǎn)擊穿是電介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，被激發(fā)自由電子而引起的。這時(shí)，電介質(zhì)中出現(xiàn)的電子電流隨電場(chǎng)的增加而急劇增大，從而破壞電介質(zhì)的絕緣性能。四、介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng) 表：電容器常用介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)、介質(zhì)損耗和介電強(qiáng)度介質(zhì)材料相對(duì)介電系數(shù)介質(zhì)損耗介電強(qiáng)度空氣氫氣玻璃510100300kV/mm云母6820003000Kv/mm聚酯薄膜0.005(50Hz)0.02(100KHz)300kV/mm聚丙烯0.0003(50Hz)400kV/mm聚苯乙烯0.0001(50Hz)氧化鋁870000kV/mm氧化鉭20

6、低介電系數(shù)陶瓷高至100中介電系數(shù)陶瓷高至1200高介電系數(shù)陶瓷100012000聚四氯乙烯純水乙醇多氯聯(lián)苯0.03（50Hz）45 kV/十二烷基苯0.0005(50Hz)60kV/電容器油0.006(50Hz)200 kV/cm電容器紙2280410kV/mm苯甲基硅油0.00032(50Hz)45 kV/蓖麻油0.02(50Hz)45 kV/二芳基乙烷70 kV/異丙基聯(lián)苯60 kV/芐基甲苯70 kV/五、介質(zhì)吸收（弛豫時(shí)間）與殘余電壓 如果電容器不存在介質(zhì)吸收，則接上直流電源時(shí)的初始充電或極化電流將是 其中，i、V、R、e分別為電容器的極化電流、外加電壓、電容器串聯(lián)的電阻和自然對(duì)數(shù)的底2.718。當(dāng)時(shí)間t趨于無(wú)窮大時(shí)，極化電流趨于零。如果R值很小，這個(gè)過(guò)程將會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)完成，電容器充滿電。但是實(shí)際上，對(duì)于固體介質(zhì)電容器，將充滿電的電容器瞬間放電后再開(kāi)路，過(guò)一段時(shí)間會(huì)因?yàn)橛行┰鹊碾姾杀唤橘|(zhì)吸收，“在電容器的極板上”累積新的電荷，這