Theo một cách nào đó, một tụ điện giống như một cục pin. Mặc dù chúng hoạt động theo những cách hoàn toàn khác nhau, cả tụ điện và pin đều lưu trữ năng lượng điện. Nếu bạn đã đọc Cách hoạt động của pin thì bạn sẽ biết rằng pin có hai cực. Bên trong pin, các phản ứng hóa học tạo ra các electron trên một đầu cuối và đầu cuối kia hấp thụ chúng khi bạn tạo ra một mạch điện. Một tụ điện đơn giản hơn nhiều so với pin, vì nó không thể tạo ra các điện tử mới — nó chỉ lưu trữ chúng. Một tụ điện được gọi như vậy bởi vì nó có “khả năng” lưu trữ năng lượng.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu chính xác tụ điện là gì, nó làm gì và nó được sử dụng như thế nào trong điện tử. Chúng ta cũng sẽ xem xét lịch sử của tụ điện và cách một số người đã giúp định hình quá trình phát triển của nó.
Tụ điện có thể được sản xuất để phục vụ cho bất kỳ mục đích nào, từ tụ điện bằng nhựa nhỏ nhất trong máy tính của bạn, đến siêu tụ điện có thể cung cấp năng lượng cho xe buýt đi lại. Dưới đây là một số loại tụ điện khác nhau và cách chúng được sử dụng.
- Không khí: Thường được sử dụng trong các mạch điều chỉnh radio
- Mylar: Được sử dụng phổ biến nhất cho các mạch hẹn giờ như đồng hồ, báo thức và bộ đếm
- Thủy tinh: Tốt cho các ứng dụng điện áp cao
- Gốm sứ: Được sử dụng cho các mục đích tần số cao như ăng-ten, máy X-quang và MRI
- Siêu tụ điện: Cung cấp năng lượng cho xe điện và xe hybrid
Bên trong một tụ điện, các cực kết nối với hai tấm kim loại được ngăn cách bởi một chất không dẫn điện hoặc chất điện môi . Bạn có thể dễ dàng tạo một tụ điện từ hai mảnh giấy nhôm và một mảnh giấy (và một số kẹp điện). Nó sẽ không phải là một tụ điện đặc biệt tốt về khả năng lưu trữ, nhưng nó sẽ hoạt động.
Về lý thuyết, chất điện môi có thể là bất kỳ chất không dẫn điện nào. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng thực tế, các vật liệu cụ thể được sử dụng phù hợp nhất với chức năng của tụ điện. Mica, gốm, cellulose, sứ, Mylar, Teflon và thậm chí cả không khí là một số vật liệu không dẫn điện được sử dụng. Chất điện môi quyết định nó là loại tụ điện nào và nó phù hợp nhất với mục đích gì. Tùy thuộc vào kích thước và loại chất điện môi, một số tụ điện tốt hơn cho việc sử dụng tần số cao, trong khi một số tốt hơn cho các ứng dụng điện áp cao.
Tụ điện trong mạch điện tử
Khi bạn kết nối tụ điện với pin, đây là điều sẽ xảy ra:
- Tấm trên tụ điện gắn vào cực âm của pin tiếp nhận các điện tử mà pin đang tạo ra.
- Tấm trên tụ điện gắn vào cực dương của pin sẽ mất các electron cho pin.
Sau khi được sạc, tụ điện có cùng điện áp với pin (1,5 volt trên pin có nghĩa là 1,5 volt trên tụ điện). Đối với một tụ điện nhỏ, dung lượng nhỏ. Nhưng các tụ điện lớn có thể chứa khá nhiều điện tích. Bạn có thể tìm thấy các tụ điện lớn như lon nước ngọt có đủ điện tích để thắp sáng đèn pin trong một phút hoặc hơn.
Ngay cả bản chất cũng cho thấy tụ điện đang hoạt động dưới dạng sét. Một mảng là đám mây , mảng kia là mặt đất và tia sét là điện tích giải phóng giữa hai “mảng” này. Rõ ràng, một tụ điện lớn có thể chứa một điện tích rất lớn!
Giả sử bạn nối một tụ điện như thế này:
Ở đây bạn có một cục pin, một bóng đèn và một tụ điện. Nếu tụ điện khá lớn, điều bạn sẽ nhận thấy là khi bạn kết nối pin, bóng đèn sẽ sáng khi dòng điện chạy từ pin đến tụ điện để sạc pin. Bóng đèn sẽ mờ dần và cuối cùng tắt khi tụ điện đạt đến công suất của nó. Sau đó, nếu bạn tháo pin ra và thay thế bằng một sợi dây, dòng điện sẽ chạy từ bản này sang bản kia của tụ điện. Bóng đèn ban đầu sẽ sáng và sau đó mờ đi khi tụ phóng điện, cho đến khi nó tắt hoàn toàn.
Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về điện dung và xem xét chi tiết các cách khác nhau mà tụ điện được sử dụng.
Giống như một tháp nước
Một cách để hình dung hoạt động của tụ điện là tưởng tượng nó giống như một
tháp nước được nối với một đường ống.
Tháp nước “lưu trữ” áp lực nước — khi máy bơm của hệ thống nước tạo ra nhiều nước hơn nhu cầu của một thị trấn, lượng nước dư thừa sẽ được lưu trữ trong tháp nước.
Sau đó, vào những thời điểm có nhu cầu cao, lượng nước dư thừa sẽ chảy ra khỏi tháp để giữ áp suất tăng.
Một tụ điện lưu trữ các electron theo cách tương tự và sau đó có thể giải phóng chúng sau đó.
Farad
Tiềm năng lưu trữ của tụ điện, hay điện dung, được đo bằng đơn vị gọi là farad. Một tụ điện 1 farad có thể lưu trữ một điện tích coulomb (coo-lomb) ở 1 volt. Một culông là 6,25e18 (6,25 * 10^18, hay 6,25 tỷ tỷ) electron. Một amp đại diện cho tốc độ dòng electron là 1 coulomb electron mỗi giây, vì vậy tụ điện 1 farad có thể chứa 1 amp-giây electron ở điện áp 1 volt.
Một tụ điện 1 farad thường sẽ khá lớn. Nó có thể to bằng một hộp cá ngừ hoặc một chai nước ngọt 1 lít, tùy thuộc vào điện áp mà nó có thể xử lý. Vì lý do này, các tụ điện thường được đo bằng microfarad (một phần triệu farad).
Để có một số quan điểm về mức độ lớn của một farad, hãy nghĩ về điều này:
- Pin kiềm AA tiêu chuẩn chứa khoảng 2,8 amp-giờ.
- Điều đó có nghĩa là pin AA có thể tạo ra 2,8 ampe trong một giờ ở điện áp 1,5 vôn (khoảng 4,2 watt-giờ — pin AA có thể thắp sáng bóng đèn sợi đốt 4 watt trong hơn một giờ một chút).
- Hãy gọi nó là 1 volt để làm cho phép toán dễ dàng hơn. Để lưu trữ năng lượng của một pin AA trong một tụ điện, bạn sẽ cần 3.600 * 2,8 = 10.080 farad để giữ nó, vì một amp-giờ bằng 3.600 amp-giây.
Nếu cần một thứ gì đó có kích thước bằng hộp cá ngừ để chứa một farad, thì 10.080 farad sẽ chiếm nhiều không gian hơn RẤT NHIỀU so với một cục pin AA! Việc sử dụng tụ điện để lưu trữ bất kỳ lượng điện năng đáng kể nào là không thực tế trừ khi bạn làm việc đó ở điện áp cao.
Các ứng dụng của tụ điện
Sự khác biệt giữa tụ điện và pin là tụ điện có thể xả toàn bộ điện tích của nó trong một phần rất nhỏ của giây, trong khi pin sẽ mất vài phút để xả hoàn toàn. Đó là lý do tại sao đèn nháy điện tử trên máy ảnh sử dụng tụ điện — pin sạc đầy tụ điện của đèn nháy trong vài giây, sau đó tụ điện sẽ nạp toàn bộ điện tích vào ống đèn nháy gần như ngay lập tức. Điều này có thể làm cho một tụ điện lớn, tích điện trở nên cực kỳ nguy hiểm — đèn flash và TV có cảnh báo về việc mở chúng ra vì lý do này. Chúng chứa các tụ điện lớn có khả năng giết chết bạn bằng điện tích mà chúng chứa.
Tụ điện được sử dụng theo nhiều cách khác nhau trong các mạch điện tử:
- Đôi khi, các tụ điện được sử dụng để lưu trữ điện tích cho việc sử dụng tốc độ cao. Đó là những gì một đèn flash làm. Các tia laser lớn cũng sử dụng kỹ thuật này để tạo ra các tia sáng tức thời, rất sáng.
- Tụ điện cũng có thể loại bỏ gợn sóng điện. Nếu một đường dây mang điện áp DC có gợn sóng hoặc xung đột trong đó, một tụ điện lớn thậm chí có thể loại bỏ điện áp bằng cách hấp thụ các đỉnh và lấp đầy các thung lũng.
- Một tụ điện có thể chặn điện áp DC. Nếu bạn mắc một tụ điện nhỏ vào pin, thì sẽ không có dòng điện nào chạy giữa các cực của pin sau khi tụ điện sạc. Tuy nhiên, mọi tín hiệu dòng điện xoay chiều (AC) đều chạy qua tụ điện mà không bị cản trở. Đó là bởi vì tụ điện sẽ tích điện và phóng điện khi dòng điện xoay chiều dao động, khiến cho có vẻ như dòng điện xoay chiều đang chạy.
Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét lịch sử của tụ điện và cách một số bộ óc lỗi lạc nhất đã đóng góp vào sự phát triển của nó.
Lịch sử của tụ điện
Việc phát minh ra tụ điện thay đổi phần nào tùy thuộc vào người bạn hỏi. Có những ghi chép cho thấy một nhà khoa học người Đức tên là Ewald Georg von Kleist đã phát minh ra tụ điện vào tháng 11 năm 1745. Vài tháng sau, Pieter van Musschenbroek, một giáo sư người Hà Lan tại Đại học Leyden, đã đưa ra một thiết bị rất giống ở dạng bình Leyden . , thường được coi là tụ điện đầu tiên. Vì Kleist không có hồ sơ và ghi chú chi tiết, cũng như tiếng tăm của người đồng cấp Hà Lan, nên ông thường bị coi là người đóng góp cho sự phát triển của tụ điện. Tuy nhiên, trong nhiều năm, cả hai đều được công nhận ngang nhau vì người ta xác định rằng nghiên cứu của họ độc lập với nhau và chỉ là một sự trùng hợp khoa học.
Nó được phát minh bởi Pieter van Musschenbroek, một giáo sư người Hà Lan tại Đại học Leyden
Bình Leyden là một thiết bị rất đơn giản. Nó bao gồm một lọ thủy tinh chứa đầy một nửa nước và được lót bên trong và bên ngoài bằng lá kim loại. Thủy tinh đóng vai trò là chất điện môi, mặc dù đã có lúc người ta cho rằng nước là thành phần chính. Thường có một sợi dây kim loại hoặc dây xích luồn qua nút bần ở trên cùng của lọ. Sau đó, sợi xích được nối với thứ gì đó sẽ tạo ra điện tích, rất có thể là một máy phát điện tĩnh quay bằng tay. Sau khi được giao, chiếc bình sẽ giữ hai điện tích bằng nhau nhưng trái dấu ở trạng thái cân bằng cho đến khi chúng được nối với nhau bằng một sợi dây, tạo ra tia lửa hoặc điện giật nhẹ.
Benjamin Franklin đã làm việc với bình Leyden trong các thí nghiệm về điện và nhanh chóng phát hiện ra rằng một mảnh thủy tinh phẳng cũng hoạt động tốt như mô hình bình, khiến ông phát triển tụ điện phẳng , hay hình vuông Franklin. Nhiều năm sau, nhà hóa học người Anh Michael Faraday đã đi tiên phong trong các ứng dụng thực tế đầu tiên cho tụ điện trong việc cố gắng lưu trữ các electron chưa sử dụng từ các thí nghiệm của ông. Điều này dẫn đến tụ điện có thể sử dụng đầu tiên, được làm từ các thùng dầu lớn. Sự tiến bộ của Faraday với các tụ điện là thứ cuối cùng đã cho phép chúng ta truyền năng lượng điện qua những khoảng cách rất xa. Nhờ những thành tựu của Faraday trong lĩnh vực điện, đơn vị đo tụ điện, hay điện dung, được gọi là farad.
Câu hỏi thường gặp về tụ điện
một tụ điện dùng để làm gì?
Một tụ điện cho phép giải phóng năng lượng điện rất nhanh theo cách mà pin không thể. Ví dụ, đèn flash điện tử của máy ảnh sử dụng tụ điện.
Tụ điện có thể giết bạn không?
Tụ điện lớn, tích điện, chẳng hạn như tụ điện có trong đèn flash và TV, có thể cực kỳ nguy hiểm và có khả năng giết chết bạn bằng điện tích mà chúng chứa.
Tụ điện là một cục pin?
Một tụ điện hơi giống một cục pin ở chỗ cả hai đều lưu trữ năng lượng điện. Nhưng cách chúng hoạt động lại hoàn toàn khác nhau. Một tụ điện cũng đơn giản hơn nhiều so với pin, vì nó chỉ có thể lưu trữ các điện tử chứ không sản xuất ra chúng.
Tụ điện là gì?
Tụ điện là một thành phần điện lấy năng lượng từ pin và lưu trữ năng lượng. Bên trong, các thiết bị đầu cuối kết nối với hai tấm kim loại được ngăn cách bởi một chất không dẫn điện. Khi được kích hoạt, một tụ điện sẽ nhanh chóng giải phóng điện năng trong một phần rất nhỏ của giây.
