O processo de armazenamento de carga de
capacitores
envolve fenômenos de polarização dentro do dielétrico em nível micro. Quando uma tensão é aplicada às duas placas de um capacitor, os átomos ou moléculas no dielétrico experimentam polarização de deslocamento ou polarização de orientação.
-
Polarização de deslocamento
-
Em dielétricos compostos por moléculas apolares, como hidrogênio, metano, etc., sob a ação de um campo elétrico externo, os centros de cargas positivas e negativas nas moléculas se deslocam entre si, formando dipolos elétricos. Esses dipolos estão dispostos na direção do campo elétrico externo e cargas de polarização aparecem na superfície do dielétrico.
-
Polarização de orientação
-
Para dielétricos compostos de moléculas polares, como água, vidro orgânico, etc., embora as moléculas tenham um momento de dipolo elétrico inerente, na ausência de um campo elétrico externo, devido ao movimento térmico das moléculas, a orientação do elétrico o momento dipolar está desordenado e o dielétrico como um todo é eletricamente neutro. Quando um campo elétrico externo é aplicado, o momento de dipolo elétrico das moléculas polares gira na direção do campo elétrico externo, resultando em um fenômeno de polarização macroscópica.
Partindo da lei do campo elétrico de Gauss, a fórmula para a capacitância de um capacitor de placas paralelas pode ser derivado, onde é a permissividade do vácuo, é a permissividade relativa do dielétrico, é a área da placa e é o espaçamento entre placas. Esta fórmula reflete a relação entre a capacitância e os parâmetros estruturais e materiais do capacitor.
-
Características de baixa frequência
-
Em baixas frequências, o valor da capacitância do capacitor permanece basicamente inalterado e pode armazenar e liberar cargas de acordo com o valor da capacitância estática.
-
Características de alta frequência
-
Quando a frequência aumenta, devido à influência dos próprios parâmetros parasitas do capacitor (como indutância de chumbo, capacitância entre placas, etc.), seu valor de capacitância equivalente muda. Para capacitores com alta constante dielétrica, como alguns capacitores cerâmicos, as perdas dielétricas ocorrem em altas frequências, resultando em uma diminuição no valor da capacitância.
-
Perda de energia
-
ESR causa calor joule durante o processo de carga e descarga do capacitor e a perda de energia , onde é a corrente que passa pelo capacitor. Em aplicações com carga e descarga de grandes correntes, como o sistema de gerenciamento de energia de veículos elétricos, capacitores com alta ESR geram grande quantidade de calor, afetando a eficiência e estabilidade do sistema.
-
Impacto no desempenho do circuito
-
Em alguns circuitos com altos requisitos de integridade de sinal, como circuitos digitais de alta velocidade e circuitos de radiofrequência, a ESR afeta a forma de onda e a qualidade de transmissão dos sinais. Capacitores com baixo ESR podem filtrar melhor as ondulações na fonte de alimentação e manter a pureza do sinal.
-
Capacitor elétrico de dupla camada (EDLC)
-
Seu princípio é baseado na dupla camada formada na interface eletrodo - eletrólito. Na superfície do eletrodo, os íons no eletrólito são atraídos eletrostaticamente e formam camadas de carga semelhantes às placas do capacitor, e a distância entre as duas camadas de carga é extremamente pequena (geralmente em nanoescala), portanto, um grande valor de capacitância pode ser obtido em um pequeno volume.
-
Os capacitores elétricos de dupla camada possuem características como alta densidade de potência e longo ciclo de vida, podendo ser utilizados em ocasiões de carga e descarga rápida, como no sistema de recuperação de energia de partida e frenagem de ônibus elétricos.
-
Pseudocapacitor
-
O mecanismo de armazenamento de carga dos pseudocapacitores envolve reações redox rápidas e reversíveis na superfície do eletrodo. Por exemplo, quando óxidos de metais de transição (como o dióxido de rutênio) ou polímeros condutores (como a polianilina) são usados como materiais de eletrodo, ocorrem reações redox durante o processo de carga e descarga para armazenar e liberar cargas.
-
Os pseudocapacitores têm maior densidade de energia do que os capacitores elétricos de camada dupla, mas seu ciclo de vida é relativamente curto. Atualmente, eles são aplicados em áreas como sistemas assistidos de veículos híbridos.
-
Características estruturais
-
O MLCC é composto por múltiplas camadas de eletrodos internos dielétricos cerâmicos e metálicos alternadamente empilhados e sinterizados. Esta estrutura pode atingir um grande valor de capacitância em um pequeno volume e possui boas características de alta frequência.
-
Desafios técnicos e aplicações
-
Com a miniaturização e o alto desempenho dos dispositivos eletrônicos, o MLCC precisa evoluir para maior capacitância e maior capacidade de resistência à tensão. Em equipamentos de estação base de comunicação 5G, o MLCC é utilizado em circuitos de radiofrequência, o que apresenta requisitos extremamente elevados para sua estabilidade e confiabilidade de desempenho.
-
Veículos elétricos
-
Os capacitores desempenham um papel crucial nos veículos elétricos. Além dos supercapacitores utilizados para recuperação de energia e alimentação auxiliar mencionados acima, no sistema de gerenciamento de bateria (BMS) de veículos elétricos, capacitores de filme são utilizados para proteger o circuito e evitar danos aos componentes eletrônicos causados pela alta tensão gerada durante o esgotamento da bateria - carregamento e descarga excessiva.
-
Armazenamento de energia renovável
-
Nos sistemas de armazenamento de energia renovável, como energia solar e energia eólica, os capacitores podem formar um sistema híbrido de armazenamento de energia com baterias e supercapacitores. Os capacitores podem responder rapidamente às mudanças na potência da carga e fornecer ou absorver uma grande quantidade de energia elétrica em um curto espaço de tempo, enquanto a bateria é usada para armazenamento de energia a longo prazo, melhorando o desempenho e a eficiência de todo o sistema de armazenamento de energia.
-
Controle e acoplamento de bits quânticos
-
Em alguns esquemas de computação quântica, como sistemas de bits quânticos baseados em junções Josephson supercondutoras, são necessários controle e acoplamento precisos de bits quânticos. O capacitor pode ser um componente importante em circuitos supercondutores de bits quânticos, usado para armazenar e regular a carga e realizar o controle e operação do estado do bit quântico.
-
Supressão da decoerência do circuito quântico
-
A decoerência dos sistemas quânticos é uma questão fundamental que afeta a confiabilidade da computação quântica. Ao projetar racionalmente circuitos quânticos contendo capacitores, a interação entre os bits quânticos e o ambiente pode ser suprimida até certo ponto, prolongando o tempo de coerência dos bits quânticos e melhorando a precisão e a estabilidade da computação quântica.