平行板電容器工作過程特性研究

牛亞蘭 宋業(yè)捌 申遠(yuǎn)昌 丁超 趙明

摘 ? 要：提出基于模擬仿真的方法研究平行板電容器的工作過程，掌握其工作過程的動態(tài)特性。從有限元的基本理論出發(fā)，以有限元仿真軟件為工具，建立平行板電容器模型，分析與研究了平行板電容器在充放電過程中電場、電壓和電流的具體變化情況。研究結(jié)果表明，仿真結(jié)果能較好地模擬出平行板電容器兩板間的場強(qiáng)和等勢面、充放電過程的電壓和電流的詳細(xì)變化情況。該方法簡單快捷，能將抽象的物理場轉(zhuǎn)化為形象、可見的圖形，可為電子和電力工業(yè)對電容器的開發(fā)和應(yīng)用提供參考依據(jù)，同時可以為超級電容器的研發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：平行板電容器;特性分析;有限元法

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）2-0055-4

1 ? ?引 ?言

電容器是一種較為常見的電子元件，由于電容器在電子電路中起著調(diào)諧、旁路、耦合、濾波等重要的作用，所以是電路中必不可少的元器件之一[1]。隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，電子產(chǎn)品更新速度越來越快、更新周期越來越短，電容器需求量持續(xù)增高，進(jìn)一步促進(jìn)了電容器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。為了適應(yīng)市場的需求，研發(fā)和生產(chǎn)質(zhì)量可靠的電容器，則需要對電容器的工作特性和主要參數(shù)等進(jìn)行深入的研究和掌握。電容器在工作過程中，耐壓和電流的參數(shù)直接影響到電容器的壽命，因此電容器的過電壓保護(hù)引起了人們的關(guān)注[3]。此外，電容器充放電時能量傳輸和電場分布對于學(xué)生認(rèn)識和掌握電容器的工作特性、增強(qiáng)對電容器知識的理解、促進(jìn)學(xué)生實踐科學(xué)探究活動和工程師對電容器的研發(fā)等具有重要意義[4]。電容器中電流、電壓和磁場等物理場較為抽象、晦澀難懂，所以難以理解和掌握。為了方便理解和掌握，可以通過有限差分法來計算和模擬電容器中的電場強(qiáng)度分布，但分析研究還不夠全面[5]。因此，對電容器進(jìn)行深入分析與仿真，對掌握其工作特性是很有必要的。在模擬與仿真中，有限元是常被采用的思想方法。有限元是指集中在一起能夠表示實際連續(xù)區(qū)域的一些離散單元，有限元分析法是基于有限元的一種求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)學(xué)方法，指在進(jìn)行問題求解時將目標(biāo)區(qū)域分解成很多個連續(xù)的子區(qū)域，每一個子區(qū)域作為一個簡單單元，即有限元。由于有限元分析方法具有計算精度高且能適應(yīng)各種復(fù)雜問題等優(yōu)勢，從而成為有效的分析手段而受到較多的關(guān)注?；谟邢拊奶攸c，有限元分析法可應(yīng)用于土木工程[6]、機(jī)械制造[7]、電力[8]、材料科學(xué)[9]、力學(xué)[10]等領(lǐng)域。

本文從有限元分析的基本理論出發(fā)，以有限元仿真軟件COMSOL為工具，以平行板電容器為例，模擬與仿真電容器在充放電過程中的電場分布、電流變化、電勢分布等問題，將較為抽象、難以理解的物理場轉(zhuǎn)化為形象、可見的圖形，用圖表與動畫等更為直觀的方式展現(xiàn)和描述平行板電容器的充放電過程，從而更好地理解和掌握電容器的工作特性。

2 ? ?電容器工作原理

電容器是一種具有儲存電荷能力的電子元件，電荷可以在電容器的電極上儲存。電容器可以與電感器配合使用，從而構(gòu)成LC振蕩電路。本例采用的工作電路如圖1所示，極板上的電荷在電場中受到靜電力作用而發(fā)生移動，如果極板間存在著電介質(zhì)，則電荷移動將受到影響而使得電荷聚集在極板上，從而實現(xiàn)電荷的儲存。

3 ? ?平行板電容器有限元建模分析

在COMSOL仿真軟件中，選擇在AC/DC模塊下的電流和電路中添加物理場，物理場加載完成后進(jìn)行模型幾何體的構(gòu)建。平行板電容器的等效模型如圖2所示，圖中極板的長寬均為30 cm，板間距離為10 cm，板間填充有電介質(zhì)，極板周圍包裹的是空氣層?？諝鈱拥南鄬殡姵?shù)和電導(dǎo)率分別為εr=1.0和σ=5×10-15 S/m，板間電介質(zhì)的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率分別為εr=4.2和σ=1×10-14 S/m。根據(jù)所構(gòu)建的研究模型進(jìn)行材料添加，然后進(jìn)行模型的網(wǎng)格剖分。

COMSOL有自動生成網(wǎng)格的功能，也可以根據(jù)研究的需要選擇手動剖分網(wǎng)格。在本例中，選擇的是物理場控制網(wǎng)格進(jìn)行自動剖分，單元的尺寸選擇為較細(xì)化，這樣得到的結(jié)果較接近真實情況，并且計算效率較高，具體如圖3所示。剖分的網(wǎng)格過大時，計算出來的結(jié)果誤差較大;網(wǎng)格過細(xì)時，消耗的計算機(jī)資源將大大增加，甚至無法進(jìn)行模擬計算，所以網(wǎng)格的剖分應(yīng)根據(jù)需要適當(dāng)選擇。由圖3可以看出，剖分得到的網(wǎng)格較細(xì)，已經(jīng)可以滿足計算的要求。

在此模型中，接地電壓為0.0 V，兩極板的電勢差為2.0 V。在對模型進(jìn)行求解時，選擇研究特性為瞬態(tài)，并且根據(jù)研究要求確定相應(yīng)的范圍、研究步長和疊代次數(shù)，即可完成對有限元模型的求解和后處理的設(shè)置。

4 ? ?研究結(jié)果與分析

4.1 ? ?極板上的電荷分布

根據(jù)圖1可知，電容器充電完成后，連接電源正極的極板上聚集正電荷，連接電源負(fù)極的極板上聚集負(fù)電荷。電荷的聚集情況不能用肉眼直接觀察，模擬仿真結(jié)果如圖4所示。通過圖4（a）和圖4（b）的對比可知，正極板上的電荷密度與負(fù)極板上的電荷密度是相等的，但電性剛好相反。因此，仿真結(jié)果能較好地反映出正、負(fù)電荷的分布情況，即正極板上聚集正電荷與負(fù)極板上聚集負(fù)電荷，并且兩極板上聚集的電荷量相等。此外，對于正、負(fù)極板內(nèi)側(cè)電荷分布較外側(cè)有明顯增加，原因是兩極板內(nèi)側(cè)正、負(fù)電荷相互作用的結(jié)果。

4.2 ? ?電容器中心切面等勢線

平行板電容器正、負(fù)極加載的電勢差是2.0 V，由于負(fù)極板接地，則從正極板到負(fù)極板電勢不斷降低，平行板電容器中心切面電勢仿真結(jié)果如圖5所示。進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置時，步長設(shè)置為0.2 V，所以等勢線電勢差為0.2 V。由圖5可以看出，電容器兩極板間等勢線是平行的，并且分布均勻，說明兩極板間的電勢變化是線性的。同時，兩極板間等勢線較密，說明電勢變化較快。在兩極板的外側(cè)，等勢線變化不再均勻，越往外的地方等勢線間的距離越來越大，說明電勢變化趨于緩慢。

4.3 ? ?電容器電場強(qiáng)度分布

平行板電容器上極板帶正電，下極板帶負(fù)電，所以正、負(fù)電荷間將形成電場，具體模擬仿真結(jié)果如圖6所示。在圖中可以很明顯地看到，兩極板中間產(chǎn)生了一個均勻電場，電場方向由正電荷指向負(fù)電荷，與圖5中等勢線平行且均勻變化結(jié)果吻合。在極板外圍，電場變化不再均勻，且離極板越遠(yuǎn)的地方，電場強(qiáng)度越小。

4.4 ? ?電容器充電過程

給電容器充電時，電容器兩極板間的電勢差設(shè)定為2.0 V，充電過程兩極板間電壓隨時間的變化關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出，在充電的初始階段電容器兩極板間的電壓迅速上升。充電時間為2.5×10-7 s時，兩極板間電壓達(dá)到了1.99 V，之后充電速率變緩，直至電容器趨于充滿。

在電容器充電的過程中，流入兩極板的電流如圖8所示。由于初始階段電容器充電較快，所以充電電流也較大，隨著電容器兩極板間的電壓上升，充電電流開始迅速下降。充電時間達(dá)到2.5×10-7 s時，充電電流下降到了7.599×10-6 A，此后充電電流趨于平緩，最終維持不變，說明電容器充電充滿。

4.5 ? ?電容器放電過程

電容器的放電過程，兩極板間的電壓隨時間的變化關(guān)系如圖9所示。從圖中可以看出，在放電的初始階段，兩極板間的電壓迅速降低。放電時間達(dá)到2.5×10-7 s時，兩極板間的電壓已經(jīng)降到了0.006 V。后面隨著時間的增加，放電速度變慢，直至放電結(jié)束。

電容器放電時，從電容器流出的電流隨時間變化的關(guān)系如圖10所示。從圖中可以明顯看到，電容器放電過程中電流的變化與電容器充電過程中電流的變化很相似，在初始階段也是迅速下降，然后趨于平緩，在放電時間達(dá)到2.5×10-7 ?s時，電流下降到了5.870×10-6 A。隨后電流緩慢下降，最后保持不變，電容器放電結(jié)束。

5 ? 結(jié)束語

本文基于有限元法的基本理論，以COMSOL模擬仿真軟件為工具，通過建模研究與分析了平行板電容器的充、放電工作過程的電壓和電流的變化特性。同時，通過模擬與仿真，將平行板電容器兩極板間的電場和電勢用形象的圖形展現(xiàn)出來。研究結(jié)果表明，本模型成功實現(xiàn)了平行板電容器工作過程的特性分析，能將抽象的物理場轉(zhuǎn)化為形象、可見的圖形。該模型方法簡單，對物理教學(xué)中抽象問題的形象化有很好的作用。也可為電子和電力工業(yè)對電容器的開發(fā)和應(yīng)用提供參考依據(jù)，同時可以為超級電容器的研發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]李雙喜.電工電子技術(shù)工程訓(xùn)練實用教程[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2016.

[2]潘大男.電容器行業(yè)步入新的發(fā)展期[J].中國電子商情（基礎(chǔ)電子），2007（11）：35-39.

[3]吳海燕.基于龍格庫塔法的電容器過電壓分析[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2019，9（11）：18-19.

[4]劉利瀾，李德安.電容器充放電演示儀的創(chuàng)新設(shè)計及實驗演示[J]. 物理通報，2020（10）：67-69.

[5]譚銘，徐復(fù)寧，王慧. 異型電容器電場強(qiáng)度分布仿真模擬[J]. 實驗室研究與探索，2013，32（11）：110-112.

[6]胡少偉，米正祥. 基于擴(kuò)展有限元法的混凝土裂縫擴(kuò)展過程數(shù)值模擬[J]. 水利學(xué)報，2014（S1）：51-56.

[7]常樂浩，劉更，鄭雅萍，等. 一種基于有限元法和彈性接觸理論的齒輪嚙合剛度改進(jìn)算法[J].航空動力學(xué)報，2014，29（03）：682-688.

[8]劉星亮，邱祁，王若宇，等. 基于有限元仿真的高頻高壓變壓器分段繞組漏感設(shè)計方法[J].高電壓技術(shù)，2020，46（02）：610-617.

[9]陶猛.基于有限元法的黏彈性材料動態(tài)力學(xué)參數(shù)測量方法[J].機(jī)械工程學(xué)報，2015，51（02）：78-83.

[10]張傳東，張振杰，呂文帥.基于有限元法的離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（14）：11-12.

（欄目編輯 ? ?蔣小平）

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