Рабочие принципы конденсаторов диэлектрических материалов и методов для улучшения плотности накопления энергии

Конденсаторы , как основные компоненты в электронных цепях, имеют производительность, в значительной степени определяемые характеристиками их диэлектрических материалов. Феномен поляризации диэлектрических материалов под внешним электрическим полем образует физическую основу для хранения энергии у конденсаторов.

Механизмы поляризации диэлектриков
Диэлектрические материалы могут быть классифицированы на неполярные и полярные типы. Неполярные диэлектрики в основном генерируют индуцированные дипольные моменты Под внешним электрическим полем проявляется как упругое смещение электронных облаков. Полярные диэлектрики, в дополнение к смещению электронного облака, обладают Постоянные дипольные моменты Это совпадает с направлением внешнего электрического поля. Независимо от типа, все диэлектрики развивают индуцированные дипольные моменты вдоль электрического поля и выставляют связанные заряды на своих поверхностях при подверженности внешнему электрическому полю. Эти связанные заряды не могут свободно двигаться и иметь полярность, противоположную поляке соседних электродов.

Количественное описание интенсивности поляризации
Интенсивность поляризации (P) является ключевым параметром, описывающим степень диэлектрической поляризации, определяемой как векторная сумма электрических дипольных моментов на единицу объема. Электрический дипольный момент (μ) определяется по количеству заряда (Q) и расстоянием между положительными и отрицательными зарядами (L). В изотропных линейных диэлектриках интенсивность поляризации непосредственно пропорциональна применяемому электрическому полю (E), выражаемой как p = ε₀ (εᵣ-1) E, где ε₀-это вакуумная диэлектрическая пропускная способность (8,85 × 10⁻² F/M), а εᵣ-относительная диэлектрическая проницаемость материала. Эта связь показывает прямую связь между способностью поляризации материала и его диэлектрической постоянной.

Методы плотности хранения энергии и улучшения
Плотность накопления энергии (w/ΔV) конденсатора может быть выражена формулой ½ε₀εᵣe², где E - сила рабочего поля. Чтобы улучшить плотность накопления энергии, есть два основных подхода: Увеличение силы рабочей области и Усиление диэлектрической постоянной Полем Улучшение силы рабочей области зависит от характеристик поля разрушения диэлектрического материала, в то время как увеличение диэлектрической постоянной может быть достигнуто путем оптимизации состава материала и микроструктуры. Фундаментальные параметры конденсатора, такие как емкость (C = ε₀εᵣS/D) и емкость хранения энергии (W = ½CU²) также тесно связаны с этими свойствами диэлектрических материалов.
Глубоко понимая механизмы поляризации и количественные отношения диэлектрических материалов, теоретическое руководство может быть предоставлено для разработки высокопроизводительных материалов конденсаторов для удовлетворения спроса на конденсаторы с высокой энергией в современных электронных устройствах. .