Большая База Рефератов - Основные типы диэлектриков, применяемых в производстве конденсаторов - бесплатно рефераты, скачать рефераты, рефераты на тему

Емкость создается между любыми двумя соседними проводниками. Конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком, таким, как воздух, газ, бумага, керамика или оксидный слой. Когда между двумя металлическими пластинами прикладывается напряжение, конденсатор заряжается. Величина заряда будет зависеть от напряжения. Емкость конденсатора равна отношению приобретенного заряда к приложенному напряжению:

где С — емкость, Ф;

Q — заряд, Кл (или А*сек);

U — напряжение, В.

Единица емкости - фарада (Ф). Конденсатор имеет емкость, равную 1 Ф, если при напряжении 1 В он приобретает заряд, равный 1 Кл. Эта единица слишком велика для практического применения, поэтому обычно используют микрофараду (1 мкФ = 10-6 Ф) и пикофараду (1 пФ = 10-12 Ф).

Энергия заряда запасается в виде электростатической

энергии в диэлектрике и равна . Если энергия поглощается равномерно за время τ, то требуемая мощность

где Ρ — средняя мощность, Вт; τ — время, сек.

При переменном напряжении выражение для реактивной мощности приобретает вид:

где f — частота, Гц; U — напряжение, эффективное значение, В.

В случае, когда к конденсатору приложено постоянное напряжение, в диэлектрике связанные электрические заряды поляризуются или смещаются из своего нормального положения равновесия. Поэтому на зарядку конденсатора затрачивается определенная работа; Эта работа выражается в джоулях (или Вт ·сек). Она равна запасенной потенциальной энергии:

, или , или ,

где I – энергия, Дж или Вт*сек;

Q – заряд, Кл или А*сек;

U – напряжение, В;

С- ёмкость, Ф.

Основная формула емкости двух плоских пластин, разделенных диэлектриком,

, или

где С- емкость, пФ;

ε- диэлектрическая проницаемость;

A – площадь одной пластины, см2

d – расстояние между пластинами, см.

Если число, пластин больше одной, то числители первой и второй формул умножаются на (N — 1), где N — число пластин.

Вследствие краевого эффекта точность этой формулы не вполне удовлетворительна. Фактическая емкость несколько выше расчетной, поэтому размеры пластин необходимо скорректировать: в случае прямых краев к сторонам пластины добавляется по 0,44 d, а в случае закругленных краев — по 0,11 d.

Конденсатор может быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис. 1), где С — емкость конденсатора; Rs —сопротивление выводов, пластин и контактов; Rp — сопротивление, обусловленное диэлектриком и материалом корпуса; L — индуктивность выводов и пластин конденсатора.

Рис. 1

Необходимо заметить, что емкость никогда не остается неизменной, за исключением некоторых определенных условий. Она изменяется в зависимости от температуры, частоты, срока службы и т. д. Номинальное значение емкости, указанное в маркировке конденсатора, строго говоря, соответствует только комнатной температуре и низкой частоте.

Характеристики диэлектриков

Диэлектрики, используемые в конденсаторостроении, могут быть разделены на следующие пять основных классов:

1)слюда, стекло, керамика с низкими потерями и т.п.; используются в конденсаторах с емкостью от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад;

2) керамика с высокой диэлектрической проницаемостью; используется при емкостях от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч пикофарад;

3) бумага и металлизированная бумага; используются в конденсаторах с емкостью от нескольких тысяч пикофарад до нескольких микрофарад;

4) оксидные пленки (в электролитах); используются при емкостях от единиц до многих микрофарад;

5) пленочные диэлектрики, такие, как полистирол, полиэтилентерефталат (майлар), политетрафторэтилен (тефлон); предел использования — от сотен пикофарад до нескольких микрофарад.

Многие факторы влияют на такие свойства конденсаторных диэлектриков, как диэлектрическая проницаемость, угол потерь, ток утечки, диэлектрическая абсорбция, электрическая прочность, допускаемая температура; этот вопрос кратко рассматривается ниже.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость материала, используемого в качестве диэлектрика, равна отношению емкости конденсатора, в котором диэлектриком служит данный материал, к емкости того же конденсатора с вакуумом в качестве диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость сухого воздуха приблизительно равна единице. Конденсатор с твердым или жидким диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого выше диэлектрической проницаемости воздуха или вакуума, может запасать в ε раз больше энергии при равном напряжении, поданном на пластины. Следующие величины диэлектрической проницаемости ε некоторых типичных конденсаторных диэлектриков при температуре 25° С:

Таблица 1

Материал	ε
Вакуум	1
Сухой воздух	1,00059
Полистирол	2,5
Политетрафторэтилен (тефлон)	2
Полиэтилентерефталат (майлар)	3
Пропитанная бумага	4-6
Слюда	6,8
Окись алюминия	7
Окись тантала	25
Керамика (титанат магния и пр.)	До 20
Керамика (титанатная)	80-100
Керамика (с высокой ε)	1000 и выше

Диэлектрики могут быть разбиты на две основные группы: полярные и неполярные материалы. В полярных материалах внутри молекулярной структуры существует постоянное неравновесие электрических зарядов. Диполи представляют собой молекулы, в которых центры действия положительных и отрицательных зарядов находятся на некоторых расстояниях друг от друга. В условиях переменного электрического поля, если частота не слишком высока, диполи самоориентируются. Переориентация диполей вызывает при некоторых значениях частоты и температуры большие потери.

В неполярных материалах электрические заряды внутри молекулярной структуры уравновешены. По этой причине неполярные материалы не имеют острого максимума потерь при изменении частоты и температуры. Поливинилхлорид может служить характерным представителем полярных материалов. Диэлектрическая проницаемость поливинилхлорида, равная 10 при низких частотах, снижается до 3—4 при частоте в несколько мегагерц. Полистирол — типичный неполярный материал с диэлектрической проницаемостью, приблизительно равной 2,5 как при постоянном, так и при переменном напряжении при частоте до многих тысяч мегагерц.

Страницы: 1, 2, 3, 4

В соцсетях