Comsol电容器电场模拟【附赠模型】

投稿｜电子F430

 编辑｜小苏

 审核｜赵佳乐

图｜（除特殊标注外）由软件截图提供

电容器

两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，构成电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。

按照结构、容量分为固定电容器、可变电容器和微调电容；按照介质类型可分为无机介质电容器、有机介质电容器和电解电容器；气体介质电容、液体介质电容和固体介质电容。按极性极性分为有极性和无极性电容，电解电容就属于有极性电容。

「电容器特性」

通交隔直：作用是阻止直流通过而让交流通过。直流等效电路将电容视为开路，微变等效电路将电容视为短路，从而简化了电路的分析运算。

交流旁路(去耦)：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。

交流耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路。

直流电源滤波：比如二极管桥式整流后面，用于平滑电流。

温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。

「超级电容器」

一种相对传统电容器而言具有更高容量的一种电容器。是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。通过极化电解质来储存能量，它与普通电容的最大区别是它是一种电化学的物理部件，但本身并不进行化学反应，超级电容的储电量特别大，达到法拉级的电容量。

图1. 电容器实物图（来源网络）

物理建模

电容器几何模型如图2所示。计算过程设置电容器模型中空气和金属板的相对介电常数，为保证结果准确性，材料参数从相关论文资料及现有实验数据中获取，如图3所示。

图2. 几何模型

图3. 材料参数

边界条件

静电场边界条件

（1）空气域设置电荷守恒和无限元域条件；

（2）电容器电势初始值为0；

（3）上侧金属板设置电势1V；

（4）下侧金属板设置接地；

（5）其余边界设置零电荷。

图4. 物理场边界条件

网格划分

根据有限元法求解原理，网格剖分越精细，结果求解越准确。数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，计算过程采用四面体和扫略网格对模型进行划分，如图5所示。

图5. 计算网格

模拟结果

采用稳态全耦合求解器进行求解，得到电容器电势、电场和电力线分布如下图所示。

图6. 电势分布

图7. 电场分布

图8. 电场线分布