Principiile de lucru ale condensatorului materiale și metode dielectrice pentru îmbunătățirea densității de stocare a energiei

Condensatoare , ca componente esențiale în circuitele electronice, au performanțe determinate în mare măsură de caracteristicile materialelor lor dielectrice. Fenomenul de polarizare al materialelor dielectrice sub un câmp electric extern constituie baza fizică pentru stocarea de energie în condensatoare.

Mecanisme de polarizare a dielectricelor
Materialele dielectrice pot fi clasificate în tipuri non-polare și polare. Dielectricele non-polare generează în primul rând Momente dipol induse sub un câmp electric extern, manifestat ca deplasare elastică a norilor de electroni. Dielectrice polare, pe lângă deplasarea norului de electroni, posedă Momente dipol permanente care se aliniază cu direcția câmpului electric extern. Indiferent de tip, toate dielectricii dezvoltă momente dipol induse de -a lungul câmpului electric și prezintă sarcini legate pe suprafețele lor atunci când sunt supuse unui câmp electric extern. Aceste sarcini legate nu se pot mișca liber și au polaritate opusă celei de electrozi adiacenți.

Descrierea cantitativă a intensității polarizării
Intensitatea de polarizare (P) este un parametru cheie care descrie gradul de polarizare dielectrică, definit ca suma vectorială a momentelor dipolului electric pe unitatea de volum. Momentul dipolului electric (μ) este determinat de cantitatea de sarcină (q) și distanța dintre sarcinile pozitive și negative (L). În dielectricele liniare izotrope, intensitatea polarizării este direct proporțională cu câmpul electric aplicat (E), exprimat ca P = ε₀ (εᵣ-1) e, unde ε₀ este permisivitatea de vid (8,85 × 10⁻¹² f/m) și εᵣ este permisivitatea relativă a materialului. Această relație dezvăluie conexiunea directă între capacitatea de polarizare a unui material și constanta sa dielectrică.

Densitatea de depozitare a energiei și metodele de îmbunătățire
Densitatea de stocare a energiei (W/ΔV) a unui condensator poate fi exprimată prin formula ½ε₀εᵣe², unde E este puterea câmpului de lucru. Pentru a îmbunătăți densitatea de stocare a energiei, există două abordări principale: Creșterea puterii câmpului de lucru şi Îmbunătățirea constantei dielectrice . Îmbunătățirea rezistenței câmpului de lucru depinde de caracteristicile câmpului de descompunere ale materialului dielectric, în timp ce crește constanta dielectrică poate fi obținută prin optimizarea compoziției și microstructurii materialelor. Parametrii fundamentali ai condensatorului, cum ar fi capacitatea (C = ε₀εᵣs/D) și capacitatea de stocare a energiei (W = ½CU²) sunt, de asemenea, strâns legate de aceste proprietăți ale materialelor dielectrice.
Prin înțelegerea profundă a mecanismelor de polarizare și a relațiilor cantitative ale materialelor dielectrice, pot fi furnizate îndrumări teoretice pentru dezvoltarea de materiale condensatoare de înaltă performanță pentru a răspunde cererii de condensatoare de densitate de înaltă energie în dispozitivele electronice moderne.