Nguyên tắc làm việc của vật liệu điện môi tụ điện và phương pháp để cải thiện mật độ lưu trữ năng lượng

Tụ điện , như các thành phần thiết yếu trong các mạch điện tử, có hiệu suất được xác định phần lớn bởi các đặc điểm của vật liệu điện môi của chúng. Hiện tượng phân cực của vật liệu điện môi dưới điện trường bên ngoài tạo thành cơ sở vật lý để lưu trữ năng lượng trong các tụ điện.

Cơ chế phân cực của điện môi
Vật liệu điện môi có thể được phân loại thành các loại không phân cực và cực. Điện tự điện không phân cực chủ yếu tạo ra Những khoảnh khắc lưỡng cực gây ra Trong một điện trường bên ngoài, biểu hiện là sự dịch chuyển đàn hồi của các đám mây electron. Điện môi cực, ngoài sự dịch chuyển của đám mây điện tử, sở hữu Khoảnh khắc lưỡng cực vĩnh viễn Điều đó phù hợp với hướng của điện trường bên ngoài. Bất kể loại nào, tất cả các điện môi phát triển các khoảnh khắc lưỡng cực gây ra dọc theo điện trường và thể hiện các điện tích ràng buộc trên bề mặt của chúng khi chịu một điện trường bên ngoài. Các điện tích ràng buộc này không thể di chuyển tự do và có cực tính đối diện với các điện cực liền kề.

Mô tả định lượng về cường độ phân cực
Cường độ phân cực (P) là một tham số chính mô tả mức độ phân cực điện môi, được định nghĩa là tổng vectơ của các khoảnh khắc lưỡng cực điện trên một đơn vị thể tích. Khoảnh khắc lưỡng cực điện (μ) được xác định bởi số lượng điện tích (Q) và khoảng cách giữa các điện tích dương và âm (L). Trong điện môi tuyến tính đẳng hướng, cường độ phân cực tỷ lệ thuận với điện trường ứng dụng (E), được biểu thị bằng p = ε₀ (εᵣ-1) E, trong đó ε₀ là độ thấm chân không (8,85 × 10⁻² f/m) và là độ thấm tương đối của vật liệu. Mối quan hệ này cho thấy mối liên hệ trực tiếp giữa khả năng phân cực của vật liệu và hằng số điện môi của nó.

Mật độ lưu trữ năng lượng và phương pháp nâng cao
Mật độ lưu trữ năng lượng (W/V) của tụ điện có thể được biểu thị bằng công thức ½ε₀εᵣe², trong đó E là cường độ trường làm việc. Để cải thiện mật độ lưu trữ năng lượng, có hai cách tiếp cận chính: Tăng sức mạnh của lĩnh vực làm việc Và tăng cường hằng số điện môi . Việc cải thiện cường độ trường làm việc phụ thuộc vào các đặc tính của trường phân tích của vật liệu điện môi, trong khi tăng hằng số điện môi có thể đạt được bằng cách tối ưu hóa thành phần vật liệu và cấu trúc vi mô. Các tham số tụ điện cơ bản như điện dung (C = ε₀εᵣs/d) và dung lượng lưu trữ năng lượng (W = ½cu²) cũng liên quan chặt chẽ đến các tính chất của vật liệu điện môi này.
Bằng cách hiểu sâu về các cơ chế phân cực và mối quan hệ định lượng của vật liệu điện môi, hướng dẫn lý thuyết có thể được cung cấp để phát triển các vật liệu tụ điện hiệu suất cao để đáp ứng nhu cầu về các tụ điện mật độ năng lượng cao trong các thiết bị điện tử hiện đại.