Arbetsprinciper för kondensatordielektriska material och metoder för att förbättra energilagringstätheten

Kondensatorer , som väsentliga komponenter i elektroniska kretsar, har prestocha till stor del bestämda av egenskaperna hos deras dielektriska material. Polarisationsfenomenet med dielektriska material under ett externt elektriskt fält utgör den fysiska grunden för energilagring hos kondensatorer.

Polarisationsmekanismer för dielektrik
Dielektriska material kan klassificeras i icke-polära och polära typer. Icke-polär dielektrik genererar främst inducerade dipolmoment under ett externt elektriskt fält, manifesterat som elastisk förskjutning av elektronmoln. Polar dielektrik, förutom elektronmolnförskjutning, äger permanenta dipolmoment Det är i linje med riktningen för det externa elektriska fältet. Oavsett typ utvecklas alla dielektriker inducerade dipolmoment längs det elektriska fältet och uppvisar bundna laddningar på sina ytor när de utsätts för ett externt elektriskt fält. Dessa bundna laddningar kan inte röra sig fritt och ha polaritet mittemot den för angränsande elektroder.

Kvantitativ beskrivning av polarisationsintensitet
Polarisationsintensitet (p) är en nyckelparameter som beskriver graden av dielektrisk polarisering, definierad som vektor summan av elektriska dipolmoment per enhetsvolym. Det elektriska dipolmomentet (μ) bestäms av laddningsmängden (Q) och avståndet mellan positiva och negativa laddningar (L). I isotropisk linjär dielektrik är polarisationsintensiteten direkt proportionell mot det applicerade elektriska fältet (E), uttryckt som p = ε₀ (εᵣ-1) E, där ε₀ är vakuumtillståndet (8,85 × 10⁻² f/m) och εᵣ är materialets relativa tillåtenhet. Detta förhållande avslöjar den direkta kopplingen mellan ett materials polarisationsförmåga och dess dielektriska konstant.

Energilagringstäthet och förbättringsmetoder
Energilagringstätheten (w/ΔV) för en kondensator kan uttryckas med formeln ½ε₀ej, där E är arbetsfältstyrkan. För att förbättra energilagringstätheten finns det två huvudsakliga metoder: öka arbetsfältstyrkan and Förbättra den dielektriska konstanten . Förbättringen av arbetsfältstyrkan beror på nedbrytningsfältets egenskaper hos det dielektriska materialet, samtidigt som den dielektriska konstanten kan uppnås genom att optimera materialkompositionen och mikrostrukturen. Grundläggande kondensatorparametrar såsom kapacitans (C = ε₀εᵣS/D) och energilagringskapacitet (W = ½cu²) är också nära besläktade med dessa egenskaper hos dielektriska material.
Genom att djupt förstå polarisationsmekanismerna och kvantitativa förhållanden mellan dielektriska material kan teoretisk vägledning tillhandahållas för att utveckla högpresterande kondensatormaterial för att möta efterfrågan på högenergitäthetskondensatorer i moderna elektroniska apparater.