靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì)-電容、電容器與電子電路結(jié)合應(yīng)用

任小紅，馬艷輝，武智瑛

（青島恒星科技學(xué)院，山東 青島 266000）

引言

大學(xué)物理作為高校理工科必修[1]的公共基礎(chǔ)課，結(jié)合現(xiàn)在的新工科教學(xué)，如何有效地融入[2]并促進專業(yè)課程的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，大學(xué)物理教學(xué)要不斷能動性向其它不同專業(yè)課應(yīng)用進軍，抽象難懂為實際鮮活、趣味性應(yīng)用，達到大學(xué)物理教學(xué)與專業(yè)課學(xué)習(xí)有機結(jié)合，為國家培養(yǎng)更多創(chuàng)新型、高素質(zhì)創(chuàng)新人才。

大學(xué)物理中的靜電場、靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì)2章，在現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)力發(fā)展、前沿科學(xué)研究中，一直被熱門地關(guān)注與運用中。例如，利用現(xiàn)暫態(tài)全過程的實現(xiàn)自適應(yīng)仿真與應(yīng)用[3]，新型儲能器件的研究與發(fā)展[4]，等等。

然而，隨著新型IT 技術(shù)的飛躍發(fā)展，大學(xué)物理教學(xué)在理工應(yīng)用型本科學(xué)生中，不斷增長性地面臨的無用而否定的聲討中，為此大學(xué)物理、大學(xué)物理實驗面向與專業(yè)課結(jié)合性融入改革的探討與研究[5-7]是必須的，面對新工科教學(xué)的發(fā)展更是必要的。

1 靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì)

處在靜電場中的導(dǎo)體，會以靜電平衡的方式重新分布其電荷于導(dǎo)體的外表面。靜電場中的電介質(zhì)（絕緣體）內(nèi)部沒有可以自由移動的電荷，因而完全不能導(dǎo)電。電介質(zhì)在外電場的作用下會發(fā)生電極化現(xiàn)象，從而會反過來影響原電場的分布。一般來說，電介質(zhì)的存在方式有固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)三種情況。例如，空氣即是一種常態(tài)為氣態(tài)的電介質(zhì)；純凈水是一種常態(tài)為液態(tài)的電介質(zhì)；大量的絕緣材料（印刷電路板基材等）是常態(tài)為固態(tài)的電介質(zhì)。

2 電容器和電容

將電介質(zhì)與導(dǎo)體科學(xué)結(jié)構(gòu)起來，就可設(shè)計一種儲能元件——電容器（如圖1 所示），如果設(shè)計出一種電介質(zhì)介芯可以動態(tài)更換，就可以嘗試設(shè)計出一種或幾種檢測儀器。

將載有電介質(zhì)型環(huán)境污染物的介芯送入檢測儀電容器的兩個平行極板間，見圖1，介芯的更換就是改變平行板電容器的電容C，平行板電容器的電容可表示為[8]：

式中：C 為平行板電容器的電容；ε 為介電常數(shù)；S 為平行板的面積；d 為平行板間距離。

3 電容器、電容與555 脈沖檢測電路

如圖1 所示，測電介質(zhì)型環(huán)境介質(zhì)的污染程度直接影響著介芯的介電常數(shù)ε，ε 與電容C 成線性關(guān)系變化。

在更換介芯的過程中，平行板電容器的上極板要頻繁起降，至使平行板電容器被頻繁充放電，其充電電流。電容器的電路模型可表示為漏電電阻R 和電容器C 并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用基爾霍夫電流定律，充電電流iC和漏電電阻電流iR滿足下列方程：

解該微分方程可得：

式中：V0=v（0-）=v（0+），時間常數(shù)τ=RC，當VS=0 時，放電電壓v（t）=V0e-t/τ。

根據(jù)公式（3）充電模型，剛開始充電時，充電電流很大，VS大部分降落在充電電阻R 上，電容器兩端的電壓很小，隨著充電過程的進行，充電電流越來越小，電容器兩端的電壓越來越大，充電結(jié)束時達到最大，該電壓作為555 振蕩器的輸入v（t）（見圖2），充放電電壓v（t）在一個脈沖周期內(nèi)的波形及振蕩器輸出OUT 的電平脈沖u0如圖3 所示。結(jié)合圖2，可得圖3所示的充電時間常數(shù)：

放電時間常數(shù)：

那么，如圖2 示出555 脈沖電路輸出端OUT 就可輸出充電信號和放電信號脈沖頻率分別f1、f2：

將該555 脈沖電路作為某些要開發(fā)檢測儀器的信號采樣電路，不同的電介質(zhì)型被檢測物質(zhì)，有不同的介電常數(shù)ε，進而有不同的電容C，通過555 脈沖電路輸出為不同的脈沖頻率f1、f2，這樣就可完成被檢測物質(zhì)基于脈沖頻率的檢測與標定了。

4 結(jié)語

許多專業(yè)課都是物理學(xué)在不同應(yīng)用領(lǐng)域的分支性發(fā)展。為此，大學(xué)物理的教學(xué)，不但是理工應(yīng)用型本科專業(yè)課的學(xué)習(xí)與應(yīng)用基礎(chǔ)，在大學(xué)生各種創(chuàng)新項目或競賽中，更重要的是前導(dǎo)性理論支撐。