Tụ điện là gì? Nguyên lý làm việc và ứng dụng của tụ điện? - EvnBamBo

Tụ điện là gì? Nó hoạt động theo nguyên lý nào? Tụ điện được ứng dụng ra sao? Đây là câu hỏi của khá nhiều người khi hầu hết mọi trong mọi gia đình đều có tụ điện. Nhưng không phải ai cũng biết được công dụng thực sự của nó. Cùng EvnBamBo tìm hiểu ngay sau đây nhé!

Khái niệm tụ điện

Tụ điện là 1 linh kiện điện tử thụ động được cấu tạo bởi 2 bản cực đặt song song được ngăn cách bở 1 lớp điện môi. Khi có sự chênh lệch điện thế tại 2 bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu. Tụ điện có tính chất cách điện 1 chiều, nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp. Chúng được sử dụng ở trong các mạch điện tử: mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động,…

Ký hiệu: tụ điện ký hiệu là C, viết tắt của Capacitior

Ký hiệu của tụ điện

Đơn vị của tụ điện là: Fara (F), 1 Fara có trị số rất lớn và trong thực tế, người ta thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như: 1µF=10-6F; 1ηF=10-9F; 1pF=10-12F .

Tụ điện là 1 linh kiện có 2 cực thụ động lưu trữ năng lượng điện. Hay tích tụ điện tích bởi 2 bề mặt dẫn điện trong 1 điện trường.

2 bề mặt dẫn điện của tụ điện được ngăn cách bởi điện môi (dielectric) không dẫn điện như: giấy, giấy tẩm hóa chất, gốm, mica,…

Khi 2 bề mặt có sự chênh lệch về điện thế, nó sẽ cho phép dòng điện xoay chiều đi qua. Các bề mặt sẽ có điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.

Lịch sử tụ điện

Vào tháng 10/1745, Ewald Georg von Kleist ở Pomerania nước Đức, đã phát hiện ra điện tích có thể được lưu trữ bằng cách nối máy phát tĩnh điện cao áp với 1 đoạn dây qua 1 bình thủy tinh chứa nước. Tay của ông và nước đã đóng vai trò là chất dẫn điện, bình thủy tinh là chất cách điện (mặc dù các chi tiết trong thời điểm đó được xác nhận là miêu tả chưa đúng). Von Kleist đã phát hiện thấy khi chạm tay vào dây thì phát ra 1 tia lửa điện lớn và sau đó ông cảm thấy rất đau, đau hơn cả khi chạm tay vào máy phát tĩnh điện. Sau đó 1 năm, nhà vật lý người Hà Lan Pieter van Musschenbroek làm việc tại đại học Leiden, đã phát minh ra 1 bình tích điện tương tự, đặt tên là bình Leyden.

Sau đó, Daniel Gralath là người đầu tiên kết hợp nhiều bình tích điện song song với nhau thành 1 quả “pin” để tăng dung lượng lưu trữ. Benjamin Franklin điều tra chiếc bình Leyden và đã cho kết luận rằng điện tích đã được lưu trữ trên chiếc bình thủy tinh, không phải trong nước như những người khác đã giả định. Từ đó, thuật ngữ “battery” hay tiếng việt gọi là “pin” đã được thông qua. Sau đó, nước đã được thay thế bằng dung dịch hóa điện. Bên trong và bên ngoài bình layden được phủ bằng lá kim loại. Để lại 1 khoảng trống ở miệng để tránh tia lửa điện giữa các lá. Bình layden chính là bình tích điện đầu tiên có điện dung khoảng 1.11 Nf (nano Fara).

Cấu tạo của tụ điện

Tụ điện có cấu tạo bao gồm:

Chi tiết cấu tạo của tụ điện

Cấu tạo của tụ điện bao gồm ít nhất 2 dây dẫn điện trường ở dạng tấm kim loại. 2 bề mặt này được đặt song song với nhau và được ngăn cách bởi 1 lớp điện môi.
Điện môi sử dụng cho tụ điện chính là các chất không dẫn điện bao gồm thủy tinh, giấy, giấy tẩm hóa chất, mica, gốm, mạng nhựa hoặc không khí. Những điện môi này không dẫn điện nhằm tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện
Tùy vào chất liệu cách điện giữa bản cực thì tụ điện có tên gọi tương ứng. Ví dụ nếu lớp cách điện là không khí ta có tụ không khí, là giấy thì ta có tụ giấy, còn là gốm thì có tụ gốm, là hóa chất ta có tụ hóa.

Những loại tụ điện phổ biến hiện nay

Tụ hóa: là tụ có phân cực (-), (+) và luôn có hình trụ. Trên thân tụ được thể hiện giá trị điện dung từ 0,47 µF đến 4700 µF.
Tụ giấy, tụ mica và tụ gốm: là tụ không phân cực và có hình dẹt, nó không phân biệt âm dương. Nó có trị số được ký hiệu trên thân bằng ba số, điện dung của tụ thường khá nhỏ, chỉ rơi vào khoảng 0,47 µF.
Tụ xoay: đây là tụ có thể xoay để thay đổi giá trị điện dung, tụ này thương được lắp trên Radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài.
Tụ Lithium ion: có năng lượng cực cao dùng để tích điện 1 chiều

Nguyên lý hoạt động của tụ điện

nguyên lý hoạt động của tụ điện

Nguyên lý phóng nạp của tụ điện được hiểu chính là khả năng tích trữ năng lượng điện như 1 ắc quy nhỏ dưới dạng năng lượng điện trường. Nó lưu trữ hiệu quả các electron và phóng ra các điện tích để tạo ra dòng điện. Nhưng điểm khác biệt lớn nhất của tụ điện và ắc quy đó là tụ điện không có khả năng sinh ra các điện tích electron

Nguyên lý nạp xả của tụ điện là tính chất đặc trưng cũng là nguyên lý cơ bản trong hoạt động của tụ điện. Nhờ vào tính chất này mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều.

Nếu như điện áp của 2 bản mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian ta cắm nặp hoặc xả tụ dễ gây hiện tượng nổ có tia lửa điện do dòng điện tăng vọt. Đây cũng là nguyên lý nạp xả phổ biến của tụ điện.

Công dụng của tụ điện

Từ phân loại và nguyên lý hoạt động của các loại tụ điện để áp dụng cho từng công trình điện riêng. Nói cách khác, tụ điện có nhiều công dụng, trong đó có 4 công dụng chính là:

Khả năng lưu trữ năng lượng điện, lưu trữ điện tích hiệu quả chính là tác dụng mà nhiều người biết tới. Nó giống công dụng lưu trữ như ắc quy. Nhưng, ưu điểm lớn của tụ điện chính là lưu trữ mà không làm tiêu hao năng lượng.
Công dụng tiếp theo của tụ điện là cho phép điện áp xoay chiều đi qua, giúp cho nó có thể dẫn điện như 1 điện trở đa năng. Đặc biệt khi tần số điện xoay chiều của tụ càng lớn thì dung kháng của nó càng nhỏ. Hỗ trợ đắc lực cho việc điện áp được lưu thông qua tụ điện.
Với nguyên lý hoạt động của tụ điện đó chính là khả năng nạp xả thông minh, ngăn điện áp 1 chiều, cho điện áp xoay chiều lưu thông giúp truyền tín hiệu giữa các tầng khuếch đại có chênh lệch điện thế
Công dụng thứ 4 của tụ điện chính là vai trò lọc điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều bằng phẳng bằng cách loại bỏ pha âm.

Ứng dụng của tụ điện trong thực tế

Tụ điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật điện và điện tử
Ứng dụng trong hệ thống âm thanh xe hơi bởi tụ điện lưu trữ năng lượng cho bộ khuếch đại được sử dụng
Tụ điện có thể để xây dựng các bộ nhớ kỹ thuật số động cho các máy tính nhị phân sử dụng các ống điện tử.
Trong những chế tạo đặc biệt về vấn đề quân sự, ứng dụng của tụ điện sử dụng trong các máy phát điện, thí nghiệm vật lý, radar, vũ khí hạt nhân,…
Ứng dụng của tụ điện trong thực tế lớn nhất là việc áp dụng thành công nguồn cung cấp năng lượng, tích trữ năng lượng.
Một số ứng dụng khác của tụ điện như xử lý tín hiệu, khởi động động cơ, mạch điều chỉnh,…

Các kiểu mắc tụ điện

Mắc tụ điện nối tiếp

2 tụ mắc nối tiếp: C tđ = C1.C2/ (C1+C2)

3 tụ mắc nối tiếp: 1 / C tđ = (1/C1) + (1/C2) + (1/C3)

Khi mắc nối tiếp thì điện áp chịu đựng được của tụ điện tương đương bằng tổng điện áp của các tụ cộng lại: U td = U1 + U2 + U3

tụ điện mắc nối tiếp