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1、气隙对电容和击穿场强的影响作者：肖啸,邓敏,肖志刚,许德富 摘要:电容和击穿场强是电容器的两个重要电性能指标。以平板电容器和圆柱形电容器为例,分析了电介质中存在的气隙对电容和击穿场强的影响,结果表明气隙会导致电容和击穿场强降低。 关键词:电容器;电容;击穿场强;气隙;电介质 Abstract:Condenser’scapacityandbreakdownfieldstrengtharetwoimportantindicatorsofelectricalproperties.Toplatecondenserandcyli
2、ndricalcondenser,theeffectsofairgaponcapacityandbreakdownfieldstrengtharediscussedinthispaper,andresultsshowthattheairgapindielectricwillcauselowercapacityandbreakdownfieldstrength. Keywords:condenser;capacity;breakdownfieldstrength;airgap;dielectric 1引言 电容器是应
3、用于现代电工技术和电子技术中的重要元件,起着隔直、滤波、耦合、调谐、能量存储等作用。电容和击穿场强(或击穿电压)是电容器的两个重要电气性能指标,电容表征了电容器容纳电荷的本领,击穿场强则反映了组成电容器的重要材料——电介质在电场作用下保持正常性能的极限能力。一般来说,电容与电容器的结构和电介质有关,击穿场强主要由电介质决定,而实际中,即使是单一绝缘结构的电容器,由于材料的不均匀性(比如含有杂质或空气间隙)都会对电容和击穿场强有影响。本文以广泛应用的平板电容器和圆柱形电容器为例,分析了单一绝缘介质内部的空气间隙对电容和击穿场强
4、的影响。 2气隙对平行板电容器的影响 内含气隙的单一电介质构成的平行板电容器见图1。设平行板电容器极板面积为S,距离为d,极板间有相对电容率为εr的电介质,球形气隙的半径为r0,且r0< 3气隙对圆柱形电容器的影响 由相对电容率为εr的单一电介质构成的圆柱形电容器俯视图见图2,电容器内外极板的半径分别为r1、r2,其内含半径为r0球形气隙,且r0远小于电介质厚度d,d=r2-r1,电容器长度为l。 3.1电容 设气隙的等效电容为C0,其周围介质的等效电容为C1、C2、C3、C4,如前述2.1中的分析相同,内
5、含气隙的圆柱形电容器的电容C也应为(1)式。无气隙时电容应为[1]: (6) 其中为无气隙时,图1中C0、C3和C4区域的电容。同样由电容器的串联定律可知C<C′,即存在气隙时电容将减小。 3.2击穿场强 若电介质内无气隙时,在电容器两极间加电压U,忽略边缘效应,则距离圆柱中心轴线r处的电场强度为[1]:2 (7) 上式说明电容器内部不是均匀电场,r越小,E′越大,电容器内极板附近的电场强度最大。 当电介质内存在球形气隙时,由于气隙半径r0很小,可近似认为气隙所在位置的电场仍为均匀电场,则气隙内部的场强公
6、式可由(5)式修改而得。将(5)式中的均匀电场E0由(7)式E′替换可得气隙内部场强为: (8) 由于εr>1,则E>E′,即气隙中的场强要大于相同半径处介质中的场强,同前述2.2中的分析结果相同,在电压增大时,气隙容易被首先击穿,进而可能导致电容器损坏。 4结束语 由上述讨论可知,当电介质中存在气隙时将会导致电容器电容值降低,电容器抗击穿能力下降,虽然电容值和击穿场强并非越大越好,但气隙的影响确实客观存在,因此应在电容器的设计和生产中考虑这一问题,留下足够的宽裕度。 参考文献 1马文蔚.物理学教
7、程上册(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2002.7 2晁立东.工程电磁场基础[M].西安:西北工业大学出版社,2002.1 3赵玉华.极化电介质球的电场与计算[J].哈尔滨理工大学学报,2007.12(3):117～119 4朱佩泓.均匀外电场中的介质球和椭球的场[J].宜春学院学报,2003.25(2):25～272
