Tụ điện là một thiết bị thụ động có khả năng tích tụ và lưu trữ năng lượng điện. Nó bao gồm hai tấm dẫn điện ngăn cách nhau bằng vật liệu điện môi. Việc áp dụng các thế điện của các dấu hiệu khác nhau lên các tấm dẫn điện dẫn đến việc chúng thu nhận điện tích, dương trên tấm này và âm trên tấm kia. Trong trường hợp này, tổng số phí bằng không.
Bài viết này thảo luận về các vấn đề lịch sử và định nghĩa về điện dung của tụ điện.
Câu chuyện phát minh
Vào tháng 10 năm 1745, nhà khoa học người Đức Ewald Georg von Kleist nhận thấy rằng điện tích có thể được lưu trữ nếu máy phát tĩnh điện và một lượng nước nhất định trong bình thủy tinh được kết nối bằng một sợi cáp. Trong thí nghiệm này, bàn tay của von Kleist và nước là chất dẫn điện, còn bình thủy tinh là chất cách điện. Sau khi nhà khoa học chạm tay vào dây kim loại, một sự phóng điện mạnh xảy ra, đó làmạnh hơn nhiều so với sự phóng điện của máy phát tĩnh điện. Kết quả là von Kleist kết luận rằng có năng lượng điện được lưu trữ.
Năm 1746, nhà vật lý người Hà Lan Pieter van Muschenbroek đã phát minh ra tụ điện, ông gọi là chai Leiden để vinh danh Đại học Leiden nơi nhà khoa học này làm việc. Daniel Gralat sau đó đã tăng điện dung của tụ điện bằng cách kết nối một số chai Leiden.
Năm 1749, Benjamin Franklin đã nghiên cứu về tụ điện Leyden và đi đến kết luận rằng điện tích được lưu trữ không phải trong nước, như người ta vẫn tin trước đây, mà là ở biên giới của nước và thủy tinh. Nhờ khám phá của Franklin, chai Leyden đã được tạo ra bằng cách phủ các tấm kim loại bên trong và bên ngoài bình thủy tinh.
Phát triển ngành
Thuật ngữ "tụ điện" được đặt ra bởi Alessandro Volta vào năm 1782. Ban đầu, các vật liệu như thủy tinh, sứ, mica và giấy thường được sử dụng để làm chất cách điện cho tụ điện. Vì vậy, kỹ sư vô tuyến Guglielmo Marconi đã sử dụng tụ sứ cho máy phát của mình và cho máy thu - tụ điện nhỏ với chất cách điện bằng mica, được phát minh vào năm 1909 - trước Thế chiến thứ hai, chúng là loại tụ điện phổ biến nhất ở Hoa Kỳ.
Tụ điện đầu tiên được phát minh vào năm 1896 và là chất điện phân có điện cực bằng nhôm. Sự phát triển nhanh chóng của điện tử chỉ bắt đầu sau khi phát minh ra tụ điện tantali thu nhỏ vào năm 1950 vớichất điện ly rắn.
Trong Chiến tranh thế giới thứ hai, do sự phát triển của hóa học chất dẻo, tụ điện bắt đầu xuất hiện, trong đó vai trò chất cách điện được giao cho các màng polyme mỏng.
Cuối cùng, vào những năm 50-60, ngành công nghiệp siêu tụ điện phát triển, trong đó có một số bề mặt dẫn điện hoạt động, do đó công suất điện của tụ điện tăng thêm 3 bậc so với giá trị của tụ điện thông thường.
Khái niệm về điện dung của tụ điện
Điện tích được lưu trong bản tụ điện tỷ lệ với hiệu điện thế của điện trường tồn tại giữa các bản của thiết bị. Trong trường hợp này, hệ số tỉ lệ được gọi là điện dung của tụ điện phẳng. Trong SI (Hệ đơn vị quốc tế), công suất điện, như một đại lượng vật lý, được đo bằng farads. Một farad là điện dung của tụ điện, hiệu điện thế giữa các bản của tụ điện là 1 vôn với điện tích tích trữ là 1 cuộn dây.
Điện dung của 1 farad là rất lớn, và trong thực tế trong kỹ thuật điện và điện tử, tụ điện có điện dung theo thứ tự picofarad, nanofarad và microfarad thường được sử dụng. Các trường hợp ngoại lệ duy nhất là siêu tụ điện, bao gồm than hoạt tính, giúp tăng diện tích làm việc của thiết bị. Chúng có thể tiếp cận hàng nghìn farads và được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các mẫu xe điện.
Như vậy, điện dung của tụ điện là: C=Q1/ (V1-V2). Đây C-công suất điện, Q1- điện tích chứa trong một bản của tụ điện, V1-V2- sự khác biệt giữa các điện thế của các tấm.
Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng là: C=e0eS / d. Ở đây e0và e là hằng số điện môi phổ quát và hằng số điện môi của vật liệu cách điện S là diện tích của các tấm, d là khoảng cách giữa các tấm. Công thức này cho phép bạn hiểu điện dung của tụ điện sẽ thay đổi như thế nào nếu bạn thay đổi vật liệu của chất cách điện, khoảng cách giữa các bản hoặc diện tích của chúng.
Các loại chất điện môi đã sử dụng
Để sản xuất tụ điện, nhiều loại chất điện môi khác nhau được sử dụng. Phổ biến nhất là những thứ sau:
- Không khí. Các tụ điện này là hai bản vật liệu dẫn điện, được ngăn cách bởi một lớp không khí và được đặt trong một hộp kính. Công suất điện của tụ điện nhỏ. Chúng thường được sử dụng trong kỹ thuật vô tuyến.
- Mica. Các đặc tính của mica (khả năng tách thành các tấm mỏng và chịu được nhiệt độ cao) thích hợp để sử dụng làm chất cách điện trong tụ điện.
- Giấy. Giấy có sáp hoặc đánh véc-ni được sử dụng để bảo vệ khỏi bị ướt.
Năng lượng được lưu trữ
Khi hiệu điện thế giữa các bản của tụ điện tăng lên, thiết bị tích trữ năng lượng điện dosự hiện diện của điện trường bên trong nó. Nếu hiệu điện thế giữa các bản giảm thì tụ điện bị phóng điện, tạo năng lượng cho mạch điện.
Về mặt toán học, năng lượng điện được lưu trữ trong một loại tụ điện tùy ý có thể được biểu thị bằng công thức sau: E=½C (V2-V1)2, trong đó V2và V1là chữ cuối cùng và chữ cái đầu ứng suất giữa các tấm.
Sạc và xả
Nếu mắc tụ điện vào mạch điện có điện trở và một nguồn điện nào đó thì dòng điện chạy qua mạch và tụ điện bắt đầu tích điện. Ngay sau khi nó được sạc đầy, dòng điện trong mạch sẽ dừng lại.
Nếu một tụ điện tích điện được nối song song với một điện trở, thì dòng điện sẽ chạy từ bản này sang bản khác qua điện trở, dòng điện này sẽ tiếp tục cho đến khi thiết bị phóng điện hoàn toàn. Trong trường hợp này, hướng của dòng phóng điện sẽ ngược với hướng của dòng điện khi thiết bị đang được sạc.
Việc sạc và xả tụ điện tuân theo sự phụ thuộc vào thời gian theo cấp số nhân. Ví dụ, điện áp giữa các bản của tụ điện trong quá trình phóng điện của nó thay đổi theo công thức sau: V (t)=Vie-t / (RC), trong đó Vi- điện áp ban đầu trên tụ điện, R - điện trở trong mạch, t - thời gian phóng điện.
Kết hợp trong mạch điện
Để xác định điện dung của các tụ điện có trongmạch điện, cần nhớ rằng chúng có thể được kết hợp theo hai cách khác nhau:
- Kết nối nối tiếp: 1 / Cs=1 / C1+ 1 / C2+ … + 1 / C.
- Kết nối song song: Cs=C1+ C2+… + C.
Cs- tổng điện dung của n tụ điện. Tổng điện dung của tụ điện được xác định bằng các công thức tương tự như biểu thức toán học cho tổng điện trở, chỉ có công thức mắc nối tiếp của các thiết bị là hợp lệ cho việc mắc song song các điện trở và ngược lại.
