Principi di lavoro dei materiali dielettrici e metodi di condensatore per migliorare la densità di accumulo di energia

Condensatori , poiché i componenti essenziali nei circuiti elettronici, hanno prestazioni in gran parte determinate dalle caratteristiche dei loro materiali dielettrici. Il fenomeno di polarizzazione dei materiali dielettrici in un campo elettrico esterno costituisce la base fisica per l'accumulo di energia nei condensatori.

Meccanismi di polarizzazione dei dielettrici
I materiali dielettrici possono essere classificati in tipi non polari e polari. I dielettrici non polari generano principalmente momenti di dipolo indotti In un campo elettrico esterno, manifestato come spostamento elastico delle nuvole di elettroni. I dielettrici polari, oltre allo spostamento delle nuvole di elettroni, possiedono momenti di dipolo permanente Ciò si allinea alla direzione del campo elettrico esterno. Indipendentemente dal tipo, tutti i dielettrici sviluppano momenti di dipolo indotti lungo il campo elettrico ed espongono cariche legate alle loro superfici se sottoposti a un campo elettrico esterno. Queste cariche legate non possono muoversi liberamente e hanno la polarità opposta a quella degli elettrodi adiacenti.

Descrizione quantitativa dell'intensità di polarizzazione
L'intensità di polarizzazione (P) è un parametro chiave che descrive il grado di polarizzazione dielettrica, definita come la somma vettoriale dei momenti di dipolo elettrico per unità di volume. Il momento di dipolo elettrico (μ) è determinato dalla quantità di carica (Q) e dalla distanza tra cariche positive e negative (L). Nei dielettrici lineari isotropici, l'intensità di polarizzazione è direttamente proporzionale al campo elettrico applicato (E), espresso come p = ε₀ (εᵣ-1) e, dove ε₀ è la permittività del vuoto (8,85 × 10⁻¹² f/m) e εᵣ è la permettività relativa del materiale. Questa relazione rivela la connessione diretta tra la capacità di polarizzazione di un materiale e la sua costante dielettrica.

Metodi di densità di accumulo di energia e miglioramento
La densità di accumulo di energia (w/ΔV) di un condensatore può essere espressa dalla formula ½ε₀εᵣe², dove E è la forza del campo di lavoro. Per migliorare la densità di accumulo di energia, ci sono due approcci principali: Aumentare la forza del campo di lavoro E Migliorare la costante dielettrica . Il miglioramento della resistenza del campo di lavoro dipende dalle caratteristiche del campo di rottura del materiale dielettrico, aumentando al contempo la costante dielettrica può essere ottenuto ottimizzando la composizione e la microstruttura del materiale. I parametri di condensatore fondamentali come la capacità (c = ε₀εᵣs/d) e la capacità di accumulo di energia (W = ½cu²) sono anche strettamente correlati a queste proprietà dei materiali dielettrici.
Comprendendo profondamente i meccanismi di polarizzazione e le relazioni quantitative dei materiali dielettrici, è possibile fornire una guida teorica per lo sviluppo di materiali di condensatore ad alte prestazioni per soddisfare la domanda di condensatori ad alta densità di energia nei moderni dispositivi elettronici.