Physics of Capacitors & Electrostatic Force Simulation

Physik

Aufgrund der darin enthaltenen Ladung werden Kondensatorplatten (Elektroden) durch eine elektrische Kraft voneinander angezogen. Die Größe dieser Kraft hängt vom elektrischen Feld im Kondensator ab.

Wenn die Oberfläche der Platte viel größer ist als der Abstand zwischen ihnen (

S größer als größer als d im Quadrat

), als das elektrische Feld des Kondensators als homogen und normal zu den Platten angesehen werden kann. In diesem Fall ist das Feld außerhalb des Kondensators nahezu Null, während die Feldstärke innerhalb des Kondensators von beiden Elektroden die gleichen Beiträge erhält:

gleich E mit der Potenz von plus plus E mit der Potenz von minus

;

E nach Plus ist gleich E nach Minus

(Abbildung 1). Es ist wichtig zu beachten, dass die auf jede Elektrode wirkende Kraft proportional zur gespeicherten Ladung und zur Komponente des von der anderen Elektrode erzeugten elektrischen Feldes ist. Beispielsweise wird die Kraft auf die positive Platte berechnet als:

F gegen Plus ist gleich Q gegen Plus E gegen Minus ist gleich Q über 2

(Gl. 1)

Potentialdifferenz zwischen den Elektroden ( U ) und dem Abstand zwischen den Platten (

d

) definieren Sie die Feldgröße als

E ist gleich U über d

. Aus Gleichung 1 und der Formel für die Kapazität eines Luftkondensators

C ist gleich dem Bruchzähler Epsilon Index 0 S über dem Nenner d Endbruch

kann die auf die Kondensatorplatte wirkende Kraft ausgedrückt werden als:

F entspricht Q Bruchteilszähler U über Nenner 2 d Endbruchteil entspricht Bruchteilszähler Epsilon Index 0 S U über Nenner 2 d Quadrat Endbruchteil quadriert

(Gl. 2)

wo $epsilon tiefgestellt 0$ ist die Permittivität des Raumes. Für Platten mit den Abmessungen 100 mm * 100 mm bei einem Abstand d=2 mm und einer Spannungsamplitude von 10 V Kraftgröße ist: $F entspricht 1.104 Raumkreuzungszeiten 10 zur Potenz des negativen 6-End-Exponenten N$ .

Parallelplattenkondensator an eine Spannungsquelle angeschlossen

Abbildung 1 - Parallelplattenkondensator, der an eine Spannung angeschlossen ist

Modell

In SOLIDWORKS wurde ein Kondensatormodell mit quadratischen Elektroden erstellt. Die Oberfläche der Platten beträgt 100 × 100 mm ² , während der Abstand zwischen ihnen ² mm beträgt (Abbildung 2). Platten gehören zur xy- Ebene. Die Simulation wird in der Studie EMS Electrostatic durchgeführt . Kupfer wird als Material für die Elektroden vorgeschrieben, während Luft den Raum zwischen und außerhalb der Elektroden ausfüllt.

Um die von der Spannungsquelle für den Kondensator vorgeschriebene Potentialdifferenz zu simulieren, sollte für beide Elektroden eine feste Spannungsgrenzbedingung vorgeschrieben werden.

Abbildung 2 - Solidworks-Modell des Kondensators

Randbedingungen

Um die Potentialdifferenz zu berücksichtigen, wird den beiden Elektroden eine feste Spannungsgrenzbedingung zugewiesen.
Um dies zu tun,

Klicken Sie in der EMS-Managerbaumstruktur mit der rechten Maustaste auf Laden/Zurückhalten Mappe.
Wählen Sie Fixed Voltage .
Klicken Sie in die Körperauswahl Kästchen und wählen Sie dann die erste Platte des Kondensators.
Geben Sie 0 in das Feld Spannung ein.
OK klicken .

Für die zweite Platte:

Klicken Sie in der EMS-Managerbaumstruktur mit der rechten Maustaste auf Laden/Zurückhalten Mappe.
Wählen Sie Fixed Voltage .
Klicken Sie in die Körperauswahl Box und wählen Sie dann die zweite Platte des Kondensators.
Geben Sie 10 in das Feld Spannung ein.
OK klicken .

Ergebnisse

1. Unter Ergebnisse

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Ordner " Electric Field "

und wählen Sie 3D-Randdiagramm .
Die Property Manager-Seite für 3D-Elektrofelder wird angezeigt.
2. Wählen Sie auf der Registerkarte Abschnittsbeschneidung die Ebene für die Abschnittsbeschneidung aus, in der Sie die Feldintensität überprüfen möchten.

Abbildung 3 - EMS-Ergebnisse für die elektrische Feldstärke

Der elektrische Feldgraph in 3 zeigt, dass abgesehen von Feldsäumen an den Grenzen der Platten ein Feld außerhalb des Kondensators praktisch nicht vorhanden ist. Seine Intensität innerhalb des Kondensators ist sehr gleichmäßig und entspricht gut dem vorhergesagten Wert von

E ist gleich U über d ist gleich 5 Bruchteilszähler k V über Nenner m Endbruchteil

.
Wie erwartet ist Kraft praktisch nur in der z- Achse vorhanden, die normal zu den Platten ist (Abbildung 4). Die Intensität entspricht der analytischen Schätzung innerhalb von 3%.

Abbildung 4 - EMS-Ergebnisse für die Kraft auf die Platte

Physics of Capacitors: Parallel Plate Simulation

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