Arbejdsprincipper for kondensator dielektriske materialer og metoder til forbedring af energilagringstætheden

Kondensatorer , som essentielle komponenter i elektroniske kredsløb, har ydeevne i vid udstrækning bestemt af egenskaberne ved deres dielektriske materialer. Polarisationsfænomenet af dielektriske materialer under et eksternt elektrisk felt danner det fysiske grundlag for energilagring hos kondensatorer.

Polarisationsmekanismer for dielektrik
Dielektriske materialer kan klassificeres i ikke-polære og polære typer. Ikke-polær dielektrik genererer primært inducerede dipolmomenter Under et eksternt elektrisk felt manifesterede sig som elastisk forskydning af elektronskyer. Polær dielektrik, ud over elektronskyfortrængning, besidder Permanente dipolmomenter der stemmer overens med retning af det eksterne elektriske felt. Uanset typen udvikler alle dielektrik inducerede dipolmomenter langs det elektriske felt og udviser bundne ladninger på deres overflader, når de udsættes for et eksternt elektrisk felt. Disse bundne ladninger kan ikke bevæge sig frit og har polaritet modsat den for tilstødende elektroder.

Kvantitativ beskrivelse af polarisationsintensitet
Polarisationsintensitet (P) er en nøgleparameter, der beskriver graden af dielektrisk polarisering, defineret som vektorsummen af elektriske dipolmomenter pr. Enhedsvolumen. Det elektriske dipolmoment (μ) bestemmes af ladningsmængden (Q) og afstogen mellem positive og negative ladninger (L). I isotropisk lineær dielektrik er polarisationsintensitet direkte proportional med det påførte elektriske felt (E), udtrykt som P = ε₀ (εᵣ-1) E, hvor ε₀ er vakuumtens permittivitet (8,85 × 10⁻¹² f/m) og εᵣ er den relative permittivitet af materialet. Dette forhold afslører den direkte forbindelse mellem en materiales polarisationsevne og dets dielektriske konstant.

Energilagringstæthed og forbedringsmetoder
Energilagringstætheden (w/ΔV) af en kondensator kan udtrykkes ved formlen ½ε₀εᵣe², hvor E er arbejdsstyrken. For at forbedre energilagringstætheden er der to hovedmetoder: Forøgelse af arbejdsfeltstyrken and Forbedring af den dielektriske konstant . Forbedringen af arbejdsfeltstyrken afhænger af nedbrydningsfeltkarakteristika for det dielektriske materiale, mens øget den dielektriske konstant kan opnås ved at optimere materialesammensætning og mikrostruktur. Grundlæggende kondensatorparametre såsom kapacitans (C = ε₀εᵣs/D) og energilagringskapacitet (W = ½Cu²) er også tæt knyttet til disse egenskaber ved dielektriske materialer.
Ved dybt at forstå polarisationsmekanismerne og kvantitative forhold mellem dielektriske materialer, kan teoretisk vejledning tilvejebringes til udvikling af højprestationskondensatormaterialer for at imødekomme efterspørgslen efter højenergitæthedskondensatorer i moderne elektroniske enheder.