Khi đó, một tụ điện có khả năng tích trữ điện tích Q (đơn vị tính bằng Coulombs ) của các electron. Khi một tụ điện được sạc đầy sẽ có hiệu điện thế pd giữa các bản của nó và diện tích các bản càng lớn và / hoặc khoảng cách giữa chúng càng nhỏ (được gọi là khoảng cách) thì điện tích mà tụ điện có thể giữ được càng lớn. và lớn hơn sẽ là Điện dung của nó .
Khả năng lưu trữ điện tích ( Q ) này giữa các bản của tụ điện tỷ lệ với điện áp đặt vào, V đối với tụ điện có điện dung đã biết tính bằng Farads. Lưu ý rằng điện dung C LUÔN LUÔN dương và không bao giờ âm.
Điện áp đặt vào càng lớn thì điện tích được lưu trên các bản của tụ điện càng lớn. Tương tự như vậy, điện áp đặt vào càng nhỏ thì điện tích càng nhỏ. Do đó, điện tích thực tế Q trên các bản của tụ điện và có thể được tính như sau:
Sạc trên tụ điện
Trong đó: Q (Điện tích, tính bằng Coulombs) = C (Điện dung, tính bằng Farads) x V (Điện áp, tính bằng Volts)
Đôi khi, việc ghi nhớ mối quan hệ này bằng cách sử dụng hình ảnh sẽ dễ dàng hơn. Ở đây ba đại lượng Q , C và V đã được xếp thành một tam giác tạo ra điện tích ở đỉnh có điện dung và hiệu điện thế ở đáy. Sự sắp xếp này thể hiện vị trí thực tế của mỗi đại lượng trong công thức Điện tích tụ điện .
và chuyển phương trình trên cho chúng ta các kết hợp sau của cùng một phương trình:
Đơn vị của: Q đo bằng Coulombs, V tính bằng vôn và C tính bằng Farads.
Sau đó, từ trên cao chúng ta có thể xác định đơn vị của điện dung như là một hằng số tỉ lệ là bằng với culông / volt mà cũng được gọi là một Farad , đơn vị F .
Vì điện dung biểu thị khả năng của tụ điện (khả năng) lưu trữ điện tích trên các bản của nó, chúng ta có thể định nghĩa một Farad là ” điện dung của tụ điện yêu cầu điện tích của một cuộn dây để tạo ra hiệu điện thế một vôn giữa các bản của nó ” như trước hết được mô tả bởi Michael Faraday. Vì vậy, điện dung càng lớn thì lượng điện tích tích trữ trên tụ điện đối với cùng một lượng điện áp càng cao.
Khả năng của tụ điện để lưu trữ điện tích trên các bản dẫn điện của nó làm cho nó có giá trị điện dung . Điện dung cũng có thể được xác định từ kích thước hoặc diện tích, A của các tấm và đặc tính của vật liệu điện môi giữa các tấm. Một số đo của vật liệu điện môi được cho bằng điện trở phép, ( ε ), hoặc hằng số điện môi. Vì vậy, một cách khác để biểu thị điện dung của tụ điện là:
Tụ điện với không khí làm chất điện môi
Tụ điện có chất rắn làm chất điện môi
Trong đó A là diện tích các bản tính bằng mét vuông, m 2 với diện tích càng lớn thì tụ điện tích được càng nhiều. d là khoảng cách hoặc khoảng cách giữa hai tấm. Khoảng cách này càng nhỏ thì khả năng tích điện của các tấm càng cao, vì điện tích -ve trên tấm mang điện -Q có ảnh hưởng lớn hơn đến tấm mang điện + Q, dẫn đến nhiều electron bị đẩy ra khỏi + Tấm tích điện Q, và do đó tăng tổng điện tích.
ε 0 (epsilon) là giá trị của điện trở phép đối với không khí là 8,84 x 10 -12 F / m và ε r là điện suất cho phép của môi trường điện môi được sử dụng giữa hai bản.
Tụ điện tấm song song – Điện dung của tụ điện
Trước đây chúng ta đã nói rằng điện dung của một tụ điện bản song song tỷ lệ với diện tích bề mặt A và tỷ lệ nghịch với khoảng cách d giữa hai bản và điều này đúng với môi trường điện môi của không khí. Tuy nhiên, giá trị điện dung của tụ điện có thể tăng lên bằng cách đặt một môi trường rắn vào giữa các bản dẫn điện có hằng số điện môi lớn hơn không khí.
Các giá trị điển hình của epsilon ε cho các vật liệu điện môi thường được sử dụng khác nhau là: Không khí = 1,0, Giấy = 2,5 – 3,5, Thủy tinh = 3 – 10, Mica = 5 – 7, v.v.
Hệ số mà vật liệu điện môi, hoặc chất cách điện, làm tăng điện dung của tụ điện so với không khí được gọi là Hằng số điện môi , ( k ). “K” là tỷ số giữa khả năng cho phép của môi trường điện môi đang được sử dụng với năng suất cho phép của không gian tự do hay còn gọi là chân không.
Do đó, tất cả các giá trị điện dung đều liên quan đến khả năng cho phép của chân không. Vật liệu điện môi có hằng số điện môi cao là chất cách điện tốt hơn vật liệu điện môi có hằng số điện môi thấp hơn. Hằng số điện môi là một đại lượng không thứ nguyên vì nó liên quan đến không gian tự do.
Ví dụ về điện dung số 1
Một tụ điện bản song song gồm hai bản có tổng diện tích bề mặt là 100 cm 2 . Điện dung tính bằng pico-Farads, (pF) của tụ điện sẽ là bao nhiêu nếu khoảng cách giữa bản là 0,2 cm và môi trường điện môi được sử dụng là không khí.
khi đó giá trị của tụ là 44pF.
Sạc & Xả tụ điện – Điện dung của tụ điện
Hãy xem xét mạch sau đây.
Giả sử rằng các tụ điện là hoàn toàn thải và chuyển đổi kết nối với các tụ điện vừa được chuyển đến vị trí Một . Tại thời điểm này, điện áp trên tụ điện 100uf bằng 0 và dòng điện nạp ( i ) bắt đầu chạy lên tụ điện cho đến khi điện áp trên các bản tụ bằng điện áp nguồn 12v. Dòng sạc ngừng chảy và tụ điện được cho là “đã được sạc đầy”. Khi đó, Vc = Vs = 12v .
Một khi tụ điện được “sạc đầy” về lý thuyết, nó sẽ duy trì trạng thái tích điện ngay cả khi điện áp nguồn đã bị ngắt vì chúng hoạt động như một loại thiết bị lưu trữ tạm thời. Tuy nhiên, trong khi điều này có thể đúng với một tụ điện “lý tưởng”, một tụ điện thực sẽ tự phóng điện từ từ trong một thời gian dài do dòng rò bên trong chảy qua chất điện môi.
Đây là một điểm quan trọng cần nhớ vì các tụ điện có giá trị lớn được kết nối giữa các nguồn cung cấp điện áp cao vẫn có thể duy trì một lượng điện tích đáng kể ngay cả khi điện áp nguồn được chuyển sang trạng thái “TẮT”.
Nếu ngắt công tắc tại thời điểm này, tụ điện sẽ duy trì điện tích của nó vô thời hạn, nhưng do dòng rò bên trong chạy qua chất điện môi của nó, tụ điện sẽ bắt đầu tự phóng điện rất chậm khi các electron đi qua chất điện môi. Thời gian cần thiết để tụ điện phóng điện xuống 37% điện áp cung cấp được gọi là Hằng số thời gian của nó .
Nếu bây giờ chuyển công tắc từ vị trí A sang vị trí B , tụ điện đã sạc đầy sẽ bắt đầu phóng điện qua bóng đèn bây giờ được nối qua nó, chiếu sáng đèn cho đến khi tụ điện phóng điện hoàn toàn vì phần tử của đèn có giá trị điện trở.
Độ sáng của đèn và thời gian chiếu sáng cuối cùng phụ thuộc vào giá trị điện dung của tụ điện và điện trở của đèn ( t = R * C ). Giá trị của tụ điện càng lớn thì đèn chiếu sáng càng lâu và càng sáng vì nó có thể tích trữ nhiều điện tích hơn.
Ví dụ về sạc tụ điện số 2
Tính điện tích trong đoạn mạch tụ điện trên.
khi đó điện tích trên tụ là 1,2 millicoulombs.
Dòng điện qua tụ điện
Dòng điện thực tế không thể chạy qua tụ điện như điện trở hoặc cuộn cảm do đặc tính cách điện của vật liệu điện môi giữa hai bản tụ điện. Tuy nhiên, quá trình sạc và xả của hai tấm tạo ra hiệu ứng là dòng điện chạy qua.
Dòng điện chạy qua tụ điện liên quan trực tiếp đến điện tích trên các bản tụ vì dòng điện là tốc độ của dòng điện tích theo thời gian. Khi khả năng tích trữ điện tích ( Q ) giữa các bản của tụ điện tỷ lệ với hiệu điện thế đặt vào ( V ), mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế đặt vào các bản của tụ điện trở thành:
Mối quan hệ dòng điện – điện áp (IV)
Tuy nhiên, từ phương trình trên, chúng ta cũng có thể thấy rằng nếu hiệu điện thế không đổi, điện tích sẽ không đổi và do đó dòng điện sẽ bằng không !. Nói cách khác, không thay đổi điện áp, không chuyển động của điện tích và không có dòng điện. Đây là lý do tại sao một tụ điện dường như “chặn” dòng điện khi được kết nối với điện áp DC ở trạng thái ổn định.
Farad – Điện dung của tụ điện
Bây giờ chúng ta biết rằng khả năng của một tụ điện để lưu trữ năng lượng cung cấp cho nó giá trị điện dung của nó C , trong đó có các đơn vị của Farad, F . Nhưng farad là một đơn vị cực lớn khiến nó không thực tế để sử dụng, vì vậy bội số con hoặc phân số của đơn vị Farad tiêu chuẩn được sử dụng để thay thế.
Để có ý tưởng về độ lớn thực sự của Farad, diện tích bề mặt của các tấm cần thiết để tạo ra một tụ điện có giá trị chỉ bằng một Farad với khoảng cách bản hợp lý chỉ bằng 1mm hoạt động trong chân không. Nếu chúng ta sắp xếp lại phương trình cho điện dung ở trên, điều này sẽ cho chúng ta diện tích tấm là:
A = Cd ÷ 8,85pF / m = (1 x 0,001) ÷ 8,85 × 10 -12 = 112.994.350 m 2
hay 113 triệu m 2 trong đó sẽ tương đương với một đĩa hơn 10 km x 10 km (hơn 6 dặm) vuông. Nó thật khổng lồ.
Các tụ điện có giá trị từ một Farad trở lên có xu hướng có chất điện môi rắn và vì “Một Farad” là một đơn vị lớn để sử dụng, các tiền tố được sử dụng thay thế trong các công thức điện tử với các giá trị tụ điện được đưa ra trong micro-Farad ( μF ), nano -Farads ( nF ) và pico-Farads ( pF ). Ví dụ:
Các đơn vị con của Farad
Chuyển các giá trị điện dung sau đây từ a) 22nF thành μF , b) 0,2μF thành nF , c) 550pF thành μF .
a) 22nF = 0,022μF
b) 0,2μF = 200nF
c) 550pF = 0,00055μF
Mặc dù một Farad tự nó có giá trị lớn, nhưng các tụ điện hiện nay thường có sẵn với các giá trị điện dung của hàng trăm Farad và có tên để phản ánh điều này là “Siêu tụ điện” hoặc “Siêu tụ điện”.
Các tụ điện này là thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa sử dụng diện tích bề mặt cao của chất điện môi carbon để cung cấp mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với các tụ điện thông thường và vì điện dung tỷ lệ với diện tích bề mặt của carbon, carbon càng dày thì điện dung càng nhiều.
Siêu tụ điện điện áp thấp (từ khoảng 3,5V đến 5,5V) có khả năng lưu trữ lượng điện tích lớn do giá trị điện dung cao của chúng khi năng lượng tích trữ trong tụ điện bằng 1/2 (C x V 2 ).
Các siêu tụ điện điện áp thấp thường được sử dụng trong các thiết bị cầm tay di động để thay thế pin lithium loại lớn, đắt tiền và nặng vì chúng có các đặc tính lưu trữ và phóng điện giống như pin nên lý tưởng để sử dụng làm nguồn điện thay thế hoặc để dự phòng bộ nhớ. Các siêu tụ điện được sử dụng trong các thiết bị cầm tay thường được sạc bằng pin mặt trời được trang bị cho thiết bị.
Siêu tụ điện đang được phát triển để sử dụng trong ô tô điện hybrid và các ứng dụng năng lượng thay thế để thay thế pin lớn thông thường cũng như các ứng dụng làm mượt DC trong hệ thống âm thanh và video trên xe. Các siêu tụ điện có thể được sạc lại nhanh chóng và có mật độ lưu trữ năng lượng rất cao, điều này khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng xe điện.
Năng lượng trong tụ điện
Khi tụ điện tích điện từ nguồn điện được nối với nó, một trường tĩnh điện được thiết lập để lưu trữ năng lượng trong tụ điện. Năng lượng Joules được lưu trữ trong trường tĩnh điện này bằng năng lượng mà nguồn điện áp tạo ra để duy trì điện tích trên các bản của tụ điện và được cho bởi công thức:
nên năng lượng tích trữ trong mạch tụ điện 100uF ở trên được tính là:
Hướng dẫn tiếp theo trong phần của chúng tôi về Tụ điện, chúng tôi xem xét Mã màu của tụ điện và xem các cách khác nhau mà giá trị điện dung và điện áp của tụ điện được đánh dấu trên thân của nó.