Werkprincipes van condensator diëlektrische materialen en methoden om de dichtheid van de energieopslag te verbeteren

Condensatoren , als essentiële componenten in elektronische circuits, hebben prestaties grotendeels bepaald door de kenmerken van hun diëlektrische materialen. Het polarisatiefenomeen van diëlektrische materialen onder een extern elektrisch veld vormt de fysieke basis voor energieopslag bij condensatoren.

Polarisatiemechanismen van diëlektrica
Diëlektrische materialen kunnen worden ingedeeld in niet-polaire en polaire typen. Niet-polaire diëlektrica genereren voornamelijk geïnduceerde dipoolmomenten Onder een extern elektrisch veld, gemanifesteerd als elastische verplaatsing van elektronenwolken. Polaire diëlektrica bezitten, naast elektronenwolkverplaatsing, Permanente dipoolmomenten die aansluiten bij de richting van het externe elektrische veld. Ongeacht het type ontwikkelen alle diëlektrica geïnduceerde dipoolmomenten langs het elektrische veld en vertonen gebonden ladingen op hun oppervlakken wanneer ze worden onderworpen aan een extern elektrisch veld. Deze gebonden ladingen kunnen niet vrij bewegen en hebben polariteit tegenover die van aangrenzende elektroden.

Kwantitatieve beschrijving van de polarisatie -intensiteit
Polarisatie -intensiteit (P) is een belangrijke parameter die de mate van diëlektrische polarisatie beschrijft, gedefinieerd als de vectorsom van elektrische dipoolmomenten per volume -eenheid. Het elektrische dipoolmoment (μ) wordt bepaald door de ladingshoeveelheid (Q) en de afstEn tussen positieve en negatieve ladingen (L). In isotrope lineaire diëlektrica is de polarisatie-intensiteit recht evenredig met het toegepaste elektrische veld (E), uitgedrukt als p = ε₀ (εᵣ-1) e, waarbij ε₀ de vacuümpermittiviteit is (8,85 x 10⁻¹² f/m) en εᵣ is de relatieve permittatie van het materiaal. Deze relatie onthult de directe verbinding tussen het polarisatievermogen van een materiaal en zijn diëlektrische constante.

Energieopslagdichtheid en verbeteringsmethoden
De energieopslagdichtheid (w/ΔV) van een condensator kan worden uitgedrukt door de formule ½ε₀εᵣe², waarbij e de werksterkte van het werkveld is. Om de dichtheid van de energieopslag te verbeteren, zijn er twee hoofdbenaderingen: het vergroten van de kracht van het werkveld and het verbeteren van de diëlektrische constante . De verbetering van de werksterkte van het werkveld hangt af van de kenmerken van de afbraakveld van het diëlektrische materiaal, terwijl het vergroten van de diëlektrische constante kan worden bereikt door de materiaalsamenstelling en microstructuur te optimaliseren. Fundamentele condensatorparameters zoals capaciteit (C = ε₀εᵣs/d) en energieopslagcapaciteit (w = ½cu²) zijn ook nauw verwant aan deze eigenschappen van diëlektrische materialen.
Door de polarisatiemechanismen en kwantitatieve relaties van diëlektrische materialen diep te begrijpen, kunnen theoretische richtlijnen worden geboden voor het ontwikkelen van krachtige condensatorenmaterialen om te voldoen aan de vraag naar hoog-energiedichtheidscondensatoren in moderne elektronische apparaten.