旋转电容器与雷电站

1、旋转电容器与雷电站作者：俞庆生 郝稳波一、 前言二、 电容与电容器三、 电容器充放电特性与电荷泵四、 旋转电容器。五、 雷电与雷电站六、 后记一、前言二、电容与电容器很早以前，人们就发现用毛皮摩擦过的琥珀能够吸引羽毛、头发等轻小物体。后来又发现吸引轻小物体的现象并非琥珀所独有，象玻璃棒、木板、头发。等都在摩擦后有相同的现象。后来人们又发现，所储存的电荷有两种特性，正电荷同负电荷，并且同种互相排斥，异种互相吸引，并发现物体传递电荷的能力有三中不同的状态1、导体：电荷能够迅速从一个地方传递到另外一个地方的物体叫导体。2、绝缘体：电荷只能停留在原来的地方的物体叫绝缘体。3、半导体：电荷能够通过外部控

2、制并改变传递能力的物体叫半导体。并由伟大的物理学家库伦发现了电荷的引力规律：两个点电荷q1 及q2之间的作用力的大小和q1 及q2的乘积成正比；同他们之间距离r的平方成反比；作用力的方向沿着它们的连线，同号电荷相吸引，异号电荷相排斥。其中： q1 及q2为两个电荷所带有的电量。 r：为两电荷之间的距离。 N：力学单位：牛顿 C：电量单位：库伦并在同时产生或存储电能。这些理论就是以下元器件的基础。我们假设有如下电荷装置：有一对面积为A的导电薄板相距距离为d，然后用外部电源给薄板充电，当两极板间的电势差增加1V（伏特）所需的电量为1库伦时我们将其的存储电能的能力定义为1F（法拉）电容。并规定这一个

3、储存电能的设备叫电电容器。在电容器系统中如果两个电容器并联，则 电容器的并联电容为所有并联的电容器的容量之和。串联电容器公式：三、电容器充放电特性与电荷泵如果一个组电容器以并联（或者串联）方式在一个电源充满电能并移动到另外一个地方以并联（或串联）的形式释放能源则叫电荷泵电路或系统，并且转换的功率与单位电容器的容量同转换的频率成正比，这些方法早已经被用于许多集成电路。四、旋转电容器如果一个电容器做成如下的形式，并满足两板平行且内部介质可以移动的条件，这时我们假设有如下两种条件：A、极板由外部给定稳定的电荷，介质是一个无限长的绝缘体并不停的以速度v移动，这时候电源上的能量将不停的由极板电场对绝缘介

4、质的极化作用储存在绝缘材料上面。设介质的宽度为a，速度为v，极板电压为U，并经过时间为T（设为1秒），则电源被绝缘介质带走的极化能量为：方程中：W 能量。单位：焦耳 P 功率。单位：瓦特 C 等效电容量。 单位：法拉 U 电压。 单位：伏特 T 时间。 单位：秒 真空介电常数 相对介电常数（无单位，仅仅系数而已） .d 绝缘材料的厚度 单位：米 A 绝缘材料的经过面积。单位：平方米 .a 介质的宽度。单位：米在一般的应用中，我们的系统都是考虑到功率，而不是总能量为多少，对于希望将一个电源变换成另外一个电源一般也是考虑能带多少负载，而不是多少能量。所以上面的方程应修改为：这就是电容变换器的能量吸

5、收方程试。B、假设一个无限长的已经极化好的绝缘体以速度v，移入到导体电极中，这时候绝缘材料所向极板提供的功率为上面的方程没有计算摩擦损耗、极化损耗、驱动损耗等相应的消耗量，并且本方程是符合能量守恒定律的，也同样符合电容器的相关定律不同的仅仅是利用绝缘材料的静电特性将能量从一个地方以绝缘隔离的原则转移到另外一个地方罢了，并且总体效率永远小于1，但它却能够实现直流到直流电源的直接变换，并能够将强大的高压静电场转换成低压直流电能用于供应生产生活，并在主变换器上不再需要半导体器件，这些特性将直接让强大的雷电能够变换成工业用电。上面讨论的是对于理想情况的，但实际上是不可能有无限长的绝缘体供我们应用的，比

6、较简单的方法是用环行的绝缘材料或类似如光盘的介质，只不过大些。五、雷电与雷电站雷电是一种常见的大气放电现象。在夏天的午后或傍晚，地面的热空气携带大量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积雨云，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷雨云的电荷感应，也会带上与云底相反符号的电荷。当云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000-20000，所以发出耀眼的强光，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强

7、烈的冲击波活动形成了雷声。 一次小的雷击或者一次小的云闪所释放出的能量大约在300千瓦小时以上，如果把这些能 量全部利用起来，可供一个普通家庭使用几个月以上。而对于一个大的雷电则可以供应世界用上几年以上。因为雷电的强大，如果不幸被击中则多数设备被毁坏，而我国则有好几个多发的地区，并经过有些学者的检测，雷电的电压一般为2000-10000kv，电流为500kA左右。在国外也有人进行了相应的试验并有人成功的用来做一些特别的应用。雷电的电压高，瞬间电流大，但如果在不导致空气击穿的情况下，将其引入高耐压的大电容网络则是完全可以和平利用的，富兰克林的来顿瓶就是一个例子。如上图所示：在一个环中（假设绝缘材

8、料是用硅橡胶做成的皮带），在皮带的上方同下放各有两对电极，左边的一对为输入的高压连接端点，右边的一对接输出负载，并且皮带以速度V，从左到右的移动，这样一来输入端的电荷就被在完全没有导电体的情况下转移到了右边，就象交流情况下的变压器一样。我们用符号表示一个变换，左边为输入，右边为输出。因变换回路中主要为电容，而对于电容类器件，其输入等效内电阻几乎为零，因此可以承受很高的浪涌电压，如果将一十个合为一组则可以用如下的连接方式如右图所示，根据电容的串并联公式，输入的高压雷电经过10级连接后电压下降到了原来的，而电流提供能力却增加了10倍，也就是说我们把十个同轴的圆盘做在一个转换装置里面就可以获得接近是

9、倍的变换比，3个这样的变换装置就可以将1兆伏特的高压雷电变换成1000V的直流电源，再用IGBT就能够变换成50HZ交流电源了，可见效率是十分客观的，有很多在野外做过高压线路施工的人员都知道，如果电线经过很长的距离而没有接地时，线路上是拥有高压的，这时候不论输送端有没有连接上供电设备。并在很多时候都能让人致命。可见云层或空气中的静电能量还是很大的，如果经过雨云或雷电那就更加强大了。上面提到雷电有时候有高达10兆伏特的电压或高达500kA的电流，我们假设放电时间是1秒，则得到的能量是W= P*T = U*I*T = 10MV*500KA*1S = 1.389GKWh假设一个家庭一天能有用掉10度电，则1000个家庭可以使用