Por que o valor da capacitância muda com a tensão aplicada?

Procurei em muitos fóruns e documentos no google e não consegui nada. Até perguntei aos meus ensinamentos e eles não sabiam. Um disse algo sobre o efeito piezo, mas ela não tinha certeza. Então, aqui está um gráfico de um fornecedor, alteração do valor da capacitância sobre a tensão aplicada no capacitor de cerâmica:

A pergunta é simples: por que um capacitor capacita com a mudança de sua diferença de tensão entre seus polares?

Este artigo rápido da Vishay sugere que isso se deve à constante dielétrica real do capacitor de cerâmica que muda significativamente sob as variações de força do campo elétrico aplicado (leia-se: tensão).

Para ser justo, essa nota em particular provavelmente deve levar as pessoas a comprar peças de tântalo de Vishay, mas também existem outros artigos sobre o assunto que parecem levar aos mesmos fenômenos físicos - a constante dielétrica é boa, não constante sob um tensão DC aplicada.

Edição adicional: A maioria dos capacitores de cerâmica usados ​​para fins de dissociação concentra-se naturalmente na eficiência volumétrica sobre a estabilidade - geralmente são classificados com Y5V, X5R, X7R, etc. Estes são o que é conhecido como dielétrico Tipo II e geralmente são construídos com titanato de bário como o material dielétrico.

Procurando por efeitos dielétricos x tensão de titanato de bário, encontrei o seguinte petisco de um curso de ciência de materiais:

(Fonte: http://www.eng.buffalo.edu/Classes/mae538/MAE4389.ppt )

É um comportamento bem conhecido de capacitância versus temperatura para esses dielétricos, e acredito que isso possa ser explicado cientificamente com:

Acima da temperatura de Curie, a polarização espontânea é perdida devido a uma alteração na estrutura do cristal e o titanato de bário está no estado paraelétrico.

E acredito que isso possa explicar por que a tensão tem o efeito de:

A dependência do tamanho do grão mostra que semelhante à constante dielétrica da força de escoamento é uma propriedade sensível à microestrutura.

Uma boa regra geral é utilizar capacitores classificados para pelo menos duas vezes a tensão de trabalho esperada. Eu prestaria muita atenção aos capacitores de cerâmica utilizados na comutação de circuitos de fonte de alimentação que podem sofrer grandes ondulações durante sua vida útil. Muitos conversores ficaram instáveis ​​ou não foram executados porque o capacitor de saída de 47uF assumido realmente caiu para 20uF mais ou menos com a tensão aplicada - sempre verifique a folha de dados do fabricante quanto à curva de polarização DC ou similar.

Última edição - o efeito piezoelétrico que seu professor referenciou é uma característica única dos capacitores de cerâmica, onde o estresse físico / tensão / vibrações realmente induzem uma tensão. Isso ocorre devido ao estresse físico que realmente deforma a estrutura reticulada do dielétrico (titanato de bário). Tocar em um capacitor de cerâmica com um lápis e monitorar sua saída com uma sonda de osciloscópio deve mostrar o ruído:

A partir desta página é uma descrição do mecanismo, que eu citei abaixo- se você quiser mais, você vai ter que olhar para o comportamento cerâmico ferroelétrico. Observe que isso não é realmente um problema com capacitores eletrolíticos e de filme.

Quando a cerâmica do tipo BaTiO3 é aquecida acima do ponto Curie, a estrutura cristalina passa por uma transição da fase tetragonal para a cúbica. Junto com essa transição, a polarização espontânea nos domínios desaparece. Quando resfriada abaixo do ponto Curie, a transição é revertida de cúbica para tetragonal, e os grãos recebem estresse simultaneamente pela distorção do ambiente. Neste ponto, vários pequenos domínios nos grãos são gerados e a polarização espontânea de cada domínio pode ser facilmente revertida com um baixo campo elétrico. Como a constante dielétrica relativa corresponde à reversão da polarização espontânea por unidade de volume, ela é medida como capacitância mais alta.

Características de capacitância e tensão DC. Característica de polarização DC O desafio não está na polarização espontânea, mas em revertê-la. Quando a polarização espontânea é revertida sem estresse de tensão (sem polarização DC), os MLCCs atingem uma alta capacitância. No entanto, se um viés externo é aplicado ao processo de polarização espontânea, a reversão livre da polarização espontânea é muito mais difícil. Como resultado, a capacitância obtida é menor em comparação com a capacitância antes da aplicação do viés. É por isso que a capacitância diminui quando o viés DC é aplicado - daí o termo característica de viés DC.

Do ponto de vista prático, é possível ver no gráfico que o uso da peça classificada com a menor e a menor tensão leva ao pior desempenho. Além disso, há alterações na capacitância com a temperatura - geralmente baixa para temperaturas elevadas e baixas. E efeitos de envelhecimento - novamente para baixo.

Provavelmente é importante mencionar que a redução da capacitância com o aumento da tensão não é propriedade de todos os capacitores. Ele realmente se aplica apenas a dielétricos ferroelétricos, como titanato de bário, usados ​​nos tipos X5R e X7R. Estes são os capacitores de montagem em superfície mais comuns, devido ao seu tamanho pequeno para a capacitância.

Outros dielétricos comuns não sofrem com esse efeito. Os filmes de poliéster, polipropileno, mica e NP0 têm capacitância quase constante, independentemente da tensão aplicada. Além disso, os tipos eletrolíticos polarizados também não mudam com a tensão.

Na verdade, outros dielétricos têm um pequeno coeficiente de tensão. No entanto, é tão pequeno que não tem impacto importante, mesmo em aplicações sensíveis do mundo real, se você trabalha com uma fração baixa da tensão de ruptura do capacitor.