Princípios de trabalho de materiais e métodos dielétricos do capacitor para melhorar a densidade de armazenamento de energia

Capacitores , como componentes essenciais nos circuitos eletrônicos, têm desempenho amplamente determinado pelas características de seus materiais dielétricos. O fenômeno de polarização de materiais dielétricos sob um campo elétrico externo forma a base física para o armazenamento de energia nos capacitores.

Mecanismos de polarização de dielétricos
Os materiais dielétricos podem ser classificados em tipos não polares e polares. Dielétricos não polares geram principalmente Momentos dipolares induzidos Sob um campo elétrico externo, manifestado como deslocamento elástico das nuvens de elétrons. Dielétricos polares, além do deslocamento da nuvem de elétrons, possuem Momentos permanentes de dipolo que se alinham com a direção do campo elétrico externo. Independentemente do tipo, todos os dielétricos desenvolvem momentos dipolares induzidos ao longo do campo elétrico e exibem cargas ligadas em suas superfícies queo submetidas a um campo elétrico externo. Essas cargas ligadas não podem se mover livremente e ter polaridade oposta à dos eletrodos adjacentes.

Descrição quantitativa da intensidade da polarização
A intensidade da polarização (P) é um parâmetro -chave que descreve o grau de polarização dielétrica, definida como a soma vetorial de momentos de dipolo elétrico por unidade de volume. O momento dipolar elétrico (μ) é determinado pela quantidade de carga (q) e pela distância entre cargas positivas e negativas (L). Em dielétricos lineares isotrópicos, a intensidade da polarização é diretamente proporcional ao campo elétrico aplicado (e), expresso como p = ε₀ (εᵣ-1) e, onde ε₀ é a permissividade a vácuo (8,85 × 10⁻vio F/m) e εᵣ é a permissiona relativa do material. Esse relacionamento revela a conexão direta entre a capacidade de polarização de um material e sua constante dielétrica.

Densidade de armazenamento de energia e métodos de aprimoramento
A densidade de armazenamento de energia (W/ΔV) de um capacitor pode ser expressa pela fórmula ½ε₀₀e², onde E é a força do campo de trabalho. Para melhorar a densidade de armazenamento de energia, existem duas abordagens principais: Aumentando a força do campo de trabalho and melhorando a constante dielétrica . A melhoria da força do campo de trabalho depende das características do campo de quebra do material dielétrico, enquanto o aumento da constante dielétrica pode ser alcançado otimizando a composição do material e a microestrutura. Os parâmetros fundamentais do capacitor, como a capacitância (C = ε₀εᵣs/D) e a capacidade de armazenamento de energia (W = ½CU²) também estão intimamente relacionados a essas propriedades dos materiais dielétricos.
Ao entender profundamente os mecanismos de polarização e as relações quantitativas de materiais dielétricos, as orientações teóricas podem ser fornecidas para o desenvolvimento de materiais de capacitores de alto desempenho para atender à demanda por capacitores de alta densidade de alta densidade em dispositivos eletrônicos modernos.