2020-05-12
1741
Цель: выяснить влияние физических параметров плоского конденсатора на его электрическую емкость.
Оборудование: методические указания, учебник, микрокалькулятор.
Краткие теоретические сведения
Конденсатор – это элемент электрической цепи, состоящий из двух электродов (обкладок), разделенных диэлектриком и обладающих способностью накапливать электрическую энергию.
Емкость конденсатора есть отношение накапливаемого в нем электрического заряда к приложенному напряжению. Она зависит от материала диэлектрика, формы и взаимного расположения электродов.
Плоский конденсатор представляет собой систему из двух металлических электродов — пластин (обкладок), расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Пластины (обкладки) конденсатора имеют площадь S, находятся на расстоянии d друг от друга (рисунок 1). Между пластинами находится воздух или какой-либо другой изолятор (слюда, керамика, парафинированная бумага и т. д.) с относительной диэлектрической проницаемостью ε.
 | |||
 | |||
Рисунок 1.1 – Плоский конденсатор
Если конденсатор присоединить к источнику постоянного тока, то на его пластинах появятся равные по модулю и противоположные по знаку электрические заряды. Способность конденсатора накапливать электрический заряд определяется электрической емкостью конденсатора.
Емкость плоского конденсатора зависит от площади пластин, расстояния между ними и типа изолирующего материала. Ее вычисляют по формуле
|
где ε — диэлектрическая проницаемость среды между пластинами конденсатора,
εО — электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума
8,85·10-12 Ф/м),
S — площадь пластины конденсатора, мм2,
d — расстояние между пластинами конденсатора, м.
Единицей электрической емкости в системе СИ является фарад. На практике применяют дольные единицы электрической емкости:
1 мкФ (микрофарад) = 10−6 Ф,
1 нФ (нанофарад) = 10−9 Ф,
1 пФ (пикофарад) = 10−12 Ф.
Порядок выполнения расчета
1 Выписать исходные данные согласно варианту из таблицы 1.1.
Таблица 1.1 – Исходные данные для расчета
| Вариант | С, пФ | UН, кВ | К | Материал диэлектрика |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1 | 200 | 3 | 2 | Миканит |
| 2 | 220 | 3,5 | 2,7 | Бумага конденсаторная |
| 3 | 185 | 4 | 2,2 | Слюда |
| 4 | 260 | 3,6 | 2,4 | Электрофарфор |
| 5 | 280 | 3,1 | 2,6 | Гетинакс |
| 6 | 320 | 2,8 | 2,8 | Слюда |
| 7 | 290 | 2,6 | 2,3 | Эбонит |
| 8 | 270 | 2,5 | 2,1 | Полиэтилен |
| 9 | 250 | 3,3 | 1,8 | Полистирол |
| 10 | 230 | 2,4 | 1,7 | Миканит |
| 11 | 210 | 2,1 | 3,1 | Электрокартон |
| 12 | 310 | 3,8 | 1,9 | Миканит |
| 13 | 200 | 2,7 | 2,5 | Бумага конденсаторная |
| 14 | 250 | 2,3 | 2 | Слюда |
| 15 | 305 | 4,1 | 2,4 | Электрофарфор |
| 16 | 190 | 3 | 1,8 | Гетинакс |
| 17 | 330 | 2 | 2,2 | Электрофарфор |
Окончание таблицы 1.1
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 18 | 300 | 3,6 | 3 | Эбонит |
| 19 | 260 | 3,5 | 2,9 | Полиэтилен |
| 20 | 240 | 2,3 | 2,8 | Полистирол |
| 21 | 200 | 3,4 | 2,7 | Миканит |
| 22 | 190 | 4,2 | 2,5 | Электрокартон |
| 23 | 180 | 2 | 3 | Миканит |
| 24 | 220 | 2,5 | 1,8 | Бумага парафинированная |
| 25 | 240 | 3 | 2,2 | Лакоткань |
| 26 | 170 | 2,6 | 2,3 | Резина |
| 27 | 275 | 1,9 | 2,6 | Текстолит |
| 28 | 200 | 2,2 | 3 | Мрамор |
| 29 | 260 | 3,7 | 2,3 | Стекло |
| 30 | 190 | 2,5 | 2,1 | Полихлорвинил |
2 Выполнить расчет площади S пластин и расстояния между ними d для воздушного конденсатора емкостью С, рассчитанного на работу при номинальном напряжении Uн с учетом запаса электрической прочности К.
Допустимая напряженность электрического поля между пластинами конденсатора с учетом необходимого запаса электрической прочности диэлектрика
|
где ЕПР1 - пробивная напряженность (электрическая прочность) воздуха (таблица 1.2);
К - коэффициент запаса электрической прочности (таблица 1.1).
Расстояние между пластинами конденсатора
|
Площадь пластин конденсатора
|
где Ɛа1 - абсолютная диэлектрическая проницаемость;
Ɛа1=Ɛ1·Ɛо (1.5)
Ɛ1 - относительная диэлектрическая проницаемость среды – воздуха (таблица 1.2);
Ɛо - диэлектрическая проницаемость вакуума.
3 Рассчитать параметры конденсатора той же емкости, с тем же запасом прочности при смене диэлектрика.
|
где ЕПР2 - пробивная напряженность (электрическая прочность) заданного диэлектрика (таблица 1.2);
|
|
где Ɛ2 - относительная диэлектрическая проницаемость заданного диэлектрика (таблица 1.2);
4 В заключении указать, как изменяются площадь пластин плоского конденсатора и расстояние между ними при замене воздуха на другой диэлектрик.
Содержание отчета
1 Тема и цель занятия.
2 Исходные данные для расчета.
3 Расчет площади пластин при использовании в качестве диэлектрика воздуха.
4 Расчет площади пластин при смене диэлектрика.
5 Вывод по результатам расчета.
Контрольные вопросы
1 Поясните устройство и назначение конденсатора.
2 Укажите параметры, от которых зависит емкость плоского конденсатора.
3 Как изменяется емкость плоского конденсатора при увеличении (уменьшении) расстояния между пластинами?
4 Как изменяется емкость плоского конденсатора при увеличении (уменьшении) площади пластин?
Таблица 1.2 – Характеристики электроизоляционных материалов
| Наименование | Относительная диэлектрическая проницаемость ε | Пробивная напряженность ЕПР, кВ/мм |
| 1 | 2 | 3 |
| Бумага конденсаторная | 3,55 | 27,5 |
| Бумага парафинированная | 4,3 | 17,5 |
| Воздух | 1 | 3 |
| Гетинакс | 6,5 | 15 |
| Лакоткань | 3,5 | 26 |
| Миканит | 5,1 | 27,5 |
| Мрамор | 8,3 | 3,5 |
| Полистирол | 2,5 | 27,5 |
| Полихлорвинил | 3,6 | 26,5 |
| Полиэтилен | 2,3 | 47,5 |
| Резина | 4,5 | 20 |
| Слюда | 6,5 | 135 |
| Стекло | 8 | 12,5 |
| Текстолит | 7 | 13 |
| Электрокартон | 3,25 | 9 |
| Электрофарфор | 6,25 | 25 |
| Эбонит | 3,1 | 17,5 |
