Principios de trabajo de los materiales dieléctricos y métodos del condensador para mejorar la densidad de almacenamiento de energía

Condensadores , como componentes esenciales en los circuitos electrónicos, tienen el rendimiento determinado en gran medida por las características de sus materiales dieléctricos. El fenómeno de polarización de los materiales dieléctricos bajo un campo eléctrico externo forma la base física para el almacenamiento de energía en los condensadores.

Mecanismos de polarización de dieléctricos
Los materiales dieléctricos se pueden clasificar en tipos no polares y polares. Los dieléctricos no polares generan principalmente Momentos dipolares inducidos Bajo un campo eléctrico externo, manifestado como desplazamiento elástico de las nubes de electrones. Polar Dielectrics, además del desplazamiento de la nube de electrones, posee Momentos dipolares permanentes que se alinean con la dirección del campo eléctrico externo. Independientemente del tipo, todos los dieléctricos desarrollan momentos dipolares inducidos a lo largo del campo eléctrico y exhiben cargas unidas en sus superficies cuyo se someten a un campo eléctrico externo. Estas cargas unidas no pueden moverse libremente y tener polaridad opuesta a la de los electrodos adyacentes.

Descripción cuantitativa de la intensidad de polarización
La intensidad de polarización (P) es un parámetro clave que describe el grado de polarización dieléctrica, definida como la suma vectorial de los momentos dipolares eléctricos por unidad de volumen. El momento dipolo eléctrico (μ) está determinado por la cantidad de carga (Q) y la distancia entre las cargas positivas y negativas (L). En los dieléctricos lineales isotrópicos, la intensidad de polarización es directamente proporcional al campo eléctrico aplicado (E), expresado como p = ε₀ (εᵣ-1) e, donde ε₀ es la permitividad del vacío (8.85 × 10⁻¹² f/m) y εᵣ es la permisividad relativa del material. Esta relación revela la conexión directa entre la capacidad de polarización de un material y su constante dieléctrica.

Densidad de almacenamiento de energía y métodos de mejora
La densidad de almacenamiento de energía (w/ΔV) de un condensador puede expresarse mediante la fórmula ½ε₀₀e², donde E es la fuerza del campo de trabajo. Para mejorar la densidad de almacenamiento de energía, hay dos enfoques principales: Aumentando la fuerza del campo de trabajo and Mejora de la constante dieléctrica . La mejora de la fuerza del campo de trabajo depende de las características del campo de descomposición del material dieléctrico, mientras que el aumento de la constante dieléctrica se puede lograr optimizando la composición del material y la microestructura. Los parámetros del condensador fundamental, como la capacitancia (c = ε₀εᵣs/d) y la capacidad de almacenamiento de energía (w = ½CU²) también están estrechamente relacionados con estas propiedades de los materiales dieléctricos.
Al comprender profundamente los mecanismos de polarización y las relaciones cuantitativas de los materiales dieléctricos, se puede proporcionar una guía teórica para desarrollar materiales de condensadores de alto rendimiento para satisfacer la demanda de condensadores de alta energía en dispositivos electrónicos modernos.