Một tụ điện dẫn dòng điện. Tụ điện. Các loại tụ điện. Kiểu bao gồm đơn giản nhất

Tụ điện trong mạch điện xoay chiều hoặc mạch điện một chiều, thường được gọi đơn giản là tụ điện, bao gồm một cặp tấm được phủ một lớp cách điện. Nếu dòng điện được cung cấp cho thiết bị này, thiết bị sẽ nhận được điện tích và duy trì trong một thời gian. Công suất của nó phần lớn phụ thuộc vào khoảng cách giữa các tấm.

Tụ điện có thể được chế tạo theo nhiều cách khác nhau, nhưng bản chất của công việc và các phần tử chính của nó vẫn không thay đổi trong mọi trường hợp. Để hiểu nguyên lý hoạt động, cần xem xét mô hình đơn giản nhất của nó.

Thiết bị đơn giản nhất có hai tấm: một trong số chúng được tích điện dương, tấm còn lại tích điện âm. Mặc dù các khoản phí này trái ngược nhau nhưng chúng bằng nhau. Chúng thu hút với một lực nhất định, lực này phụ thuộc vào khoảng cách. Các tấm càng gần nhau thì lực hút giữa chúng càng lớn. Nhờ lực hút này mà thiết bị đã tích điện không phóng điện.

Tuy nhiên, chỉ cần đặt bất kỳ dây dẫn nào giữa hai tấm là đủ và thiết bị sẽ phóng điện ngay lập tức. Tất cả các electron từ tấm tích điện âm sẽ ngay lập tức chuyển sang tấm tích điện dương, dẫn đến sự cân bằng điện tích. Nói cách khác, để loại bỏ điện tích khỏi tụ điện, bạn chỉ cần làm chập mạch hai bản của nó.

Mạch điện có hai loại - Vĩnh viễn hoặc biến. Tất cả phụ thuộc vào cách dòng điện chạy trong chúng. Các thiết bị trên các mạch này hoạt động khác nhau.

Để xem xét tụ điện sẽ hoạt động như thế nào trong mạch điện một chiều, bạn cần phải:

Lấy nguồn điện một chiều và xác định giá trị điện áp. Ví dụ: "12 Vôn".
Lắp đặt một bóng đèn có cùng điện áp.
Lắp đặt một tụ điện trong mạng.

Sẽ không có tác dụng gì: bóng đèn sẽ không sáng nhưng nếu bạn tháo tụ điện ra khỏi mạch thì đèn sẽ xuất hiện. Nếu thiết bị được kết nối với mạng dòng điện xoay chiều, thiết bị sẽ không đóng và do đó không có dòng điện nào có thể đi qua đây. Vĩnh viễn - không thể đi qua mạng nơi tụ điện được kết nối. Tất cả là do các tấm của thiết bị này, hay nói đúng hơn là chất điện môi ngăn cách các tấm này.

Bạn có thể đảm bảo rằng không có điện áp trong mạng điện một chiều bằng những cách khác. Bạn có thể kết nối bất cứ thứ gì với mạng, điều chính là có một nguồn dòng điện không đổi trong mạch. Yếu tố sẽ báo hiệu sự vắng mặt của điện áp trong mạng hoặc ngược lại, sự hiện diện của nó cũng có thể là bất kỳ thiết bị điện nào. Tốt nhất nên sử dụng bóng đèn cho những mục đích này: nó sẽ phát sáng nếu có dòng điện và sẽ không sáng nếu không có điện áp trong mạng.

Chúng ta có thể kết luận rằng tụ điện không có khả năng dẫn dòng điện một chiều qua chính nó, nhưng kết luận này không chính xác. Trên thực tế, dòng điện xuất hiện ngay sau khi đặt điện áp vào nhưng lại biến mất ngay lập tức. Trong trường hợp này, nó chỉ diễn ra trong vòng vài phần giây. Thời lượng chính xác phụ thuộc vào dung lượng của thiết bị, nhưng điều này thường không được tính đến.

Để xác định xem dòng điện xoay chiều có chạy hay không, thiết bị phải được kết nối với mạch điện thích hợp. Nguồn điện chính trong trường hợp này phải là thiết bị tạo ra dòng điện xoay chiều.

Dòng điện một chiều không chạy qua tụ điện mà ngược lại, dòng điện xoay chiều chạy qua và thiết bị liên tục chống lại dòng điện đi qua nó. Độ lớn của điện trở này có liên quan đến tần số. Sự phụ thuộc ở đây tỷ lệ nghịch: tần số càng thấp thì điện trở càng cao. Nếu để nguồn dòng điện xoay chiều kết nối bình ngưng, khi đó giá trị điện áp tối đa ở đây sẽ phụ thuộc vào cường độ dòng điện.

Một mạch đơn giản bao gồm:

Nguồn hiện tại. Nó phải thay đổi.
Người tiêu dùng dòng điện. Tốt nhất là sử dụng đèn.

Tuy nhiên, cần nhớ một điều: đèn chỉ sáng nếu thiết bị có công suất khá lớn. Dòng điện xoay chiều tác động lên tụ điện đến mức thiết bị bắt đầu sạc và phóng điện. Và dòng điện chạy qua mạng trong quá trình sạc lại sẽ làm tăng nhiệt độ của dây tóc đèn. Kết quả là, nó phát sáng.

Dòng sạc phần lớn phụ thuộc vào công suất của thiết bị được kết nối với nguồn điện xoay chiều. Sự phụ thuộc tỷ lệ thuận: công suất càng lớn thì giá trị đặc trưng cho cường độ dòng sạc càng lớn. Để kiểm chứng điều này, bạn chỉ cần tăng dung lượng lên. Ngay sau đó, đèn sẽ bắt đầu sáng hơn vì dây tóc của nó sẽ nóng hơn. Như bạn có thể thấy, tụ điện, hoạt động như một trong các thành phần của mạch điện xoay chiều, hoạt động khác với điện trở không đổi.

Khi một tụ điện xoay chiều được kết nối, các quá trình phức tạp hơn bắt đầu xảy ra. Một công cụ như vector sẽ giúp bạn hiểu chúng rõ hơn. Ý tưởng chính của vectơ trong trường hợp này là bạn có thể biểu thị giá trị của tín hiệu thay đổi theo thời gian dưới dạng tích của tín hiệu phức, là hàm của trục biểu thị thời gian và số phức, trên ngược lại, không liên quan đến thời gian.

Vì các vectơ được biểu diễn bằng một độ lớn nhất định và một góc nhất định nên chúng có thể được vẽ dưới dạng một mũi tên quay trong mặt phẳng tọa độ. Điện áp trên thiết bị hơi chậm hơn dòng điện một chút và cả hai vectơ mà chúng được chỉ định đều quay ngược chiều kim đồng hồ trên mặt phẳng.

Một tụ điện trong mạng điện xoay chiều có thể được sạc lại định kỳ: nó thu được một lượng điện tích nào đó hoặc ngược lại, giải phóng nó. Điều này có nghĩa là dây dẫn và nguồn điện xoay chiều trong mạng liên tục trao đổi năng lượng điện với nhau. Loại điện này trong kỹ thuật điện được gọi là phản ứng.

Tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua mạng. Trong trường hợp này, nó sẽ có điện trở bằng vô cùng. Dòng điện xoay chiều có khả năng đi qua thiết bị này. Trong trường hợp này, điện trở có giá trị hữu hạn.

Trong đó máy phát điện tạo ra điện áp hình sin. Hãy xem điều gì xảy ra trong mạch khi chúng ta đóng chìa khóa. Chúng ta sẽ xem xét thời điểm ban đầu khi điện áp máy phát bằng 0.

Trong quý đầu tiên của giai đoạn, điện áp tại các cực của máy phát điện sẽ tăng lên, bắt đầu từ 0 và tụ điện sẽ bắt đầu tích điện. Trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện, nhưng ở thời điểm đầu tiên tụ điện được nạp điện, mặc dù điện áp trên các bản của nó mới xuất hiện và còn rất nhỏ nhưng dòng điện trong mạch (dòng điện tích) sẽ lớn nhất. Khi điện tích trên tụ tăng, dòng điện trong mạch giảm và bằng 0 tại thời điểm tụ được nạp đầy. Trong trường hợp này, điện áp trên các tấm tụ điện, theo đúng điện áp của máy phát, tại thời điểm này trở thành giá trị cực đại, nhưng ngược dấu, tức là hướng về điện áp của máy phát.

Cơm. 1. Sự thay đổi dòng điện và điện áp trong mạch điện có điện dung

Do đó, dòng điện chạy với lực lớn nhất vào tụ điện không tích điện, nhưng ngay lập tức bắt đầu giảm khi các bản tụ chứa đầy điện tích và giảm xuống 0, sạc đầy tụ điện.

Hãy so sánh hiện tượng này với hiện tượng xảy ra với dòng nước trong đường ống nối hai bình thông nhau (Hình 2), một bình chứa đầy và bình còn lại trống rỗng. Ngay khi bạn rút van chặn đường đi của nước ra, nước sẽ ngay lập tức chảy từ bình bên trái dưới áp suất cao qua đường ống vào bình trống bên phải. Tuy nhiên, ngay lập tức áp lực nước trong đường ống sẽ bắt đầu yếu dần do mực nước trong bình bị san bằng và sẽ giảm xuống bằng 0. Dòng nước sẽ dừng lại.

Cơm. 2. Sự thay đổi áp suất nước trong đường ống nối bình giao tiếp cũng tương tự như sự thay đổi dòng điện trong mạch khi nạp tụ điện

Tương tự, dòng điện đầu tiên chạy vào một tụ điện không tích điện, sau đó yếu dần khi tích điện.

Khi bắt đầu quý 2, khi điện áp của máy phát lúc đầu bắt đầu chậm, sau đó giảm dần, tụ điện tích điện sẽ phóng điện vào máy phát, gây ra dòng phóng điện trong mạch. Khi điện áp máy phát giảm, tụ điện bị phóng điện ngày càng nhiều và dòng phóng điện trong mạch tăng lên. Chiều dòng điện phóng trong quý này ngược với chiều dòng điện tích trong quý đầu tiên. Theo đó, đường cong hiện tại, đã vượt qua giá trị 0, hiện nằm bên dưới trục thời gian.

Đến cuối nửa chu kỳ đầu tiên, điện áp trên máy phát cũng như trên tụ điện nhanh chóng tiến về 0 và dòng điện trong mạch dần dần đạt giá trị cực đại. Nhớ rằng cường độ dòng điện trong mạch càng lớn thì lượng điện tích truyền dọc mạch càng lớn, sẽ hiểu rõ tại sao dòng điện đạt cực đại khi điện áp trên các bản tụ điện, và do đó điện tích của tụ điện, nhanh chóng giảm đi.

Khi bắt đầu quý thứ ba của chu kỳ, tụ điện bắt đầu tích điện trở lại, nhưng cực tính của các bản của nó, cũng như cực tính của máy phát điện, thay đổi theo hướng ngược lại và dòng điện tiếp tục chạy theo cùng một hướng. , bắt đầu giảm khi tụ điện được tích điện. Vào cuối quý 3, khi điện áp giữa máy phát và tụ điện đạt cực đại thì dòng điện bằng không.

Trong quý cuối cùng của khoảng thời gian, điện áp giảm dần về 0 và dòng điện thay đổi hướng trong mạch đạt giá trị cực đại. Điều này kết thúc khoảng thời gian, sau đó khoảng thời gian tiếp theo bắt đầu, lặp lại chính xác khoảng thời gian trước đó, v.v.

Vì thế, Dưới tác dụng của điện áp xoay chiều từ máy phát, tụ điện được nạp hai lần trong một chu kỳ (quý I và quý III) và phóng điện hai lần (quý II và quý IV). Nhưng vì việc luân phiên lần lượt đi kèm với dòng điện nạp và xả qua mạch mỗi lần nên chúng ta có thể kết luận rằng .

Bạn có thể xác minh điều này bằng thí nghiệm đơn giản sau. Kết nối một tụ điện có công suất 4 - 6 microfarad với mạng AC thông qua bóng đèn điện 25 W. Đèn sẽ sáng và không tắt cho đến khi mạch điện bị đứt. Điều này chỉ ra rằng dòng điện xoay chiều chạy qua mạch có điện dung. Tuy nhiên, tất nhiên, nó không truyền qua chất điện môi của tụ điện mà tại mỗi thời điểm nó đại diện cho dòng điện tích hoặc dòng phóng điện của tụ điện.

Chất điện môi, như chúng ta biết, bị phân cực dưới tác dụng của điện trường phát sinh trong nó khi tụ điện được tích điện và sự phân cực của nó biến mất khi tụ điện phóng điện.

Trong trường hợp này, chất điện môi có dòng điện phân cực phát sinh trong nó đóng vai trò như một loại nối tiếp mạch điện đối với dòng điện xoay chiều và ngắt mạch đối với dòng điện một chiều. Nhưng dòng điện dịch chuyển chỉ được tạo ra trong chất điện môi của tụ điện và do đó không xảy ra sự truyền điện tích qua mạch.

Điện trở của tụ điện đối với dòng điện xoay chiều phụ thuộc vào giá trị điện dung của tụ điện và tần số của dòng điện.

Điện dung của tụ điện càng lớn thì điện tích truyền qua mạch trong quá trình sạc và phóng điện của tụ điện càng lớn và do đó dòng điện trong mạch càng lớn. Dòng điện trong mạch tăng chứng tỏ điện trở của nó đã giảm.

Kể từ đây, Khi điện dung tăng thì điện trở của mạch đối với dòng điện xoay chiều giảm.

Sự gia tăng làm tăng lượng điện tích truyền qua mạch, vì quá trình tích điện (cũng như phóng điện) của tụ điện phải diễn ra nhanh hơn ở tần số thấp. Đồng thời, sự gia tăng lượng điện tích được truyền trong một đơn vị thời gian tương đương với sự gia tăng dòng điện trong mạch và do đó làm giảm điện trở của nó.

Nếu bằng cách nào đó chúng ta giảm dần tần số của dòng điện xoay chiều và giảm dòng điện đến mức không đổi thì điện trở của tụ điện mắc vào mạch sẽ tăng dần và trở nên lớn vô hạn (hở mạch) vào thời điểm nó xuất hiện.

Kể từ đây, Khi tần số tăng, điện trở của tụ điện đối với dòng điện xoay chiều giảm.

Giống như điện trở của cuộn dây đối với dòng điện xoay chiều được gọi là điện cảm, điện trở của tụ điện thường được gọi là điện dung.

Như vậy, Điện dung càng lớn thì điện dung của mạch và tần số dòng điện cung cấp cho nó càng thấp.

Điện dung được ký hiệu là Xc và được đo bằng ohm.

Sự phụ thuộc của điện dung vào tần số dòng điện và điện dung của mạch được xác định theo công thức Xc = 1/ωС, ở đâu ω - tần số tròn bằng tích của 2π f, C-điện dung của mạch tính bằng fara.

Phản ứng điện dung, giống như phản ứng cảm ứng, có bản chất phản ứng vì tụ điện không tiêu thụ năng lượng của nguồn hiện tại.

Công thức của mạch điện có điện dung là I = U/Xc, trong đó I và U là giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp; Xc là điện dung của mạch.

Đặc tính của tụ điện là cung cấp điện trở cao đối với dòng điện tần số thấp và dễ dàng cho dòng điện tần số cao đi qua được sử dụng rộng rãi trong các mạch thiết bị truyền thông.

Ví dụ, với sự trợ giúp của tụ điện, người ta có thể tách dòng điện một chiều và dòng điện tần số thấp khỏi dòng điện tần số cao cần thiết cho hoạt động của mạch điện.

Nếu cần chặn đường dẫn của dòng điện tần số thấp vào phần tần số cao của mạch điện thì một tụ điện nhỏ được mắc nối tiếp. Nó có khả năng chống lại dòng điện tần số thấp rất tốt, đồng thời dễ dàng cho dòng điện tần số cao đi qua.

Nếu cần ngăn dòng điện tần số cao, chẳng hạn như đi vào mạch điện của đài phát thanh, thì sử dụng một tụ điện lớn, nối song song với nguồn dòng. Trong trường hợp này, dòng điện tần số cao đi qua tụ điện, bỏ qua mạch cấp nguồn của đài phát thanh.

Điện trở và tụ điện tác dụng trong mạch điện xoay chiều

Trong thực tế thường có trường hợp đoạn mạch có điện dung mắc nối tiếp, tổng điện trở của mạch trong trường hợp này được xác định theo công thức

Kể từ đây, Tổng điện trở của một đoạn mạch gồm điện trở tác dụng và điện dung đối với dòng điện xoay chiều bằng căn bậc hai của tổng bình phương điện trở tác dụng và điện dung của mạch đó.

Định luật Ohm vẫn đúng cho mạch I = U/Z này.

Trong bộ lễ phục. Hình 3 thể hiện các đường cong mô tả mối quan hệ pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch chứa điện trở điện dung và điện trở tác dụng.

Cơm. 3. Dòng điện, điện áp và công suất trong mạch có tụ điện và điện trở tác dụng

Như có thể thấy trong hình, dòng điện trong trường hợp này dẫn điện áp không phải bằng một phần tư chu kỳ, mà ít hơn, vì điện trở hoạt động đã vi phạm bản chất điện dung (phản kháng) thuần túy của mạch, bằng chứng là pha giảm sự thay đổi. Bây giờ điện áp tại các cực của mạch sẽ được xác định bằng tổng của hai thành phần: thành phần phản kháng của điện áp u c, dùng để thắng điện dung của mạch, và thành phần tác dụng của điện áp, vượt qua điện trở tác dụng của nó.

Điện trở hoạt động của mạch càng lớn thì độ dịch pha giữa dòng điện và điện áp càng nhỏ.

Đường cong thay đổi công suất trong mạch (xem Hình 3) hai lần trong khoảng thời gian đó mang dấu âm, như chúng ta đã biết, đó là hệ quả của bản chất phản kháng của mạch. Mạch càng ít phản ứng thì độ dịch pha giữa dòng điện và điện áp càng nhỏ và nguồn dòng điện tiêu thụ càng nhiều.

Tại sao tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua mà cho dòng điện xoay chiều đi qua?

Tụ điện không cho dòng điện chạy qua, nó chỉ có khả năng tích điện và phóng điện
Ở dòng điện một chiều, tụ điện tích điện một lần và sau đó trở nên vô dụng trong mạch điện.
Trên một dòng điện dao động, khi điện áp tăng, nó sẽ tích điện (tích lũy năng lượng điện) và khi điện áp từ mức tối đa bắt đầu giảm, nó sẽ trả lại năng lượng cho mạng, đồng thời ổn định điện áp.
Trên dòng điện xoay chiều, khi điện áp tăng từ 0 đến cực đại, tụ điện tích điện, khi giảm từ cực đại xuống 0, nó phóng điện, trả năng lượng trở lại mạng, khi cực tính thay đổi, mọi thứ diễn ra giống hệt nhau nhưng với cực tính khác .
Dòng điện chỉ chạy khi tụ điện đang sạc.
Trong mạch điện một chiều, tụ điện tích điện tương đối nhanh, sau đó dòng điện giảm và gần như dừng lại.
Trong mạch điện xoay chiều, tụ điện được tích điện, sau đó điện áp thay đổi cực tính, nó bắt đầu phóng điện và sau đó tích điện theo chiều ngược lại, v.v. - dòng điện chạy liên tục.
Chà, hãy tưởng tượng một cái bình mà bạn chỉ có thể đổ nước vào cho đến khi đầy. Nếu điện áp không đổi, bình sẽ đầy và dòng điện sẽ dừng lại. Và nếu điện áp thay đổi thì nước sẽ được đổ vào bình - đổ ra - đổ đầy, v.v.
tụ điện hoạt động cả ở dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều, bởi vì nó được tích điện ở dòng điện một chiều và không thể truyền năng lượng đó đi bất cứ đâu; để làm điều này, một nhánh ngược được nối với mạch thông qua một công tắc để thay đổi cực nhằm phóng điện và nhường chỗ cho một phần mới, không xen kẽ trong mỗi vòng quay, nến được tích điện và phóng điện do sự thay đổi các cực....
Cảm ơn các bác vì thông tin tuyệt vời!!!
Về mặt vật lý thuần túy: tụ điện là một điểm đứt mạch, vì các miếng đệm của nó không chạm vào nhau nên giữa chúng có một chất điện môi. và như chúng ta đã biết, chất điện môi không dẫn điện. do đó dòng điện một chiều không chạy qua nó.
Mặc dù.. .
Một tụ điện trong mạch điện một chiều có thể dẫn dòng điện tại thời điểm nó được nối với mạch (xảy ra quá trình sạc hoặc nạp lại tụ điện); khi kết thúc quá trình nhất thời, không có dòng điện nào chạy qua tụ điện, vì các bản của nó được ngăn cách bởi một chất điện môi. Trong mạch điện xoay chiều, nó thực hiện các dao động dòng điện xoay chiều thông qua việc sạc lại tụ điện theo chu kỳ.
và đối với dòng điện xoay chiều, tụ điện là một phần của mạch dao động. nó đóng vai trò là một thiết bị lưu trữ năng lượng điện và kết hợp với một cuộn dây, chúng cùng tồn tại hoàn hảo, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng từ tính và quay trở lại với tốc độ/tần số bằng omega = 1/sqrt(C*L) của chính chúng
ví dụ: một hiện tượng như sét. Tôi nghĩ tôi đã nghe thấy nó. mặc dù đây là một ví dụ tồi, nhưng sự tích điện xảy ra ở đó thông qua quá trình điện khí hóa, do ma sát của không khí trong khí quyển trên bề mặt trái đất. nhưng sự đánh thủng luôn luôn, như ở tụ điện, chỉ xảy ra khi đạt đến cái gọi là điện áp đánh thủng.
Tôi không biết điều này có giúp ích gì cho bạn không :)
Thực ra tụ điện không cho dòng điện đi qua chính nó. Đầu tiên, tụ điện tích lũy điện tích trên các bản của nó - trên một bản có thừa electron, ở bản kia thiếu - và sau đó nhường chúng đi, kết quả là ở mạch ngoài, các electron chạy tới chạy lui - chúng chạy rời khỏi đĩa này, chạy sang đĩa thứ hai rồi quay lại. Nghĩa là, chuyển động qua lại của các electron trong mạch ngoài được đảm bảo; dòng điện chạy trong đó - nhưng không chạy bên trong tụ điện.
Có bao nhiêu electron mà một tấm tụ điện có thể tiếp nhận ở điện áp một volt được gọi là điện dung của tụ điện, nhưng nó thường được đo không phải bằng hàng nghìn tỷ electron mà bằng đơn vị điện dung thông thường - farad (microfarad, picofarad).
Khi người ta nói rằng dòng điện chạy qua tụ điện thì đây chỉ đơn giản là một sự đơn giản hóa. Mọi thứ xảy ra như thể dòng điện chạy qua tụ điện, mặc dù trên thực tế dòng điện chỉ chạy từ bên ngoài tụ điện.
Nếu đi sâu hơn vào vật lý, sự phân bố lại năng lượng trong trường giữa các bản của tụ điện được gọi là dòng điện dịch chuyển, ngược lại với dòng điện dẫn là sự chuyển động của các điện tích, còn dòng điện dịch chuyển là một khái niệm từ điện động lực học gắn liền với các phương trình Maxwell , một mức độ trừu tượng hoàn toàn khác.

Đã có rất nhiều bài viết về tụ điện, liệu có đáng để thêm vài nghìn từ nữa vào hàng triệu từ đã tồn tại không? Tôi sẽ thêm nó! Tôi tin rằng bài trình bày của tôi sẽ hữu ích. Rốt cuộc, nó sẽ được thực hiện có tính đến.

tụ điện là gì

Nói bằng tiếng Nga, tụ điện có thể được gọi là “thiết bị lưu trữ”. Nó thậm chí còn rõ ràng hơn theo cách này. Hơn nữa, đây chính xác là cách tên này được dịch sang ngôn ngữ của chúng tôi. Một tấm kính cũng có thể được gọi là tụ điện. Chỉ có nó tích lũy chất lỏng trong chính nó. Hoặc một cái túi. Vâng, một cái túi. Hóa ra nó cũng là một thiết bị lưu trữ. Nó tích lũy mọi thứ mà chúng ta cho vào đó. Tụ điện có liên quan gì đến nó? Nó giống như một chiếc ly hay một chiếc túi nhưng nó chỉ tích lũy điện tích.

Hãy tưởng tượng một bức tranh: một dòng điện chạy qua một mạch điện, các điện trở và dây dẫn gặp nhau dọc theo đường đi của nó và, bùm, một tụ điện (thủy tinh) xuất hiện. Chuyện gì sẽ xảy ra? Như bạn đã biết, dòng điện là dòng chuyển động của các electron và mỗi electron đều mang điện tích. Vì vậy, khi ai đó nói rằng có dòng điện chạy qua một mạch điện, bạn hãy tưởng tượng có hàng triệu electron chạy qua mạch điện đó. Chính những electron này, khi một tụ điện xuất hiện trên đường đi của chúng, sẽ tích tụ lại. Chúng ta càng đưa nhiều electron vào tụ điện thì điện tích của nó sẽ càng lớn.

Câu hỏi đặt ra: theo cách này có thể tích lũy được bao nhiêu electron, bao nhiêu electron sẽ lọt vào tụ điện và khi nào thì nó “có đủ”? Hãy cùng tìm hiểu. Rất thường xuyên, để giải thích đơn giản các quá trình điện đơn giản, người ta sử dụng so sánh giữa nước và đường ống. Chúng ta cũng hãy sử dụng phương pháp này.

Hãy tưởng tượng một đường ống mà nước chảy qua. Ở một đầu ống có một máy bơm dùng lực bơm nước vào đường ống này. Sau đó nhẩm đặt một màng cao su ngang qua đường ống. Chuyện gì sẽ xảy ra? Màng sẽ bắt đầu căng ra và căng ra dưới tác động của áp lực nước trong đường ống (áp suất do máy bơm tạo ra). Nó sẽ căng ra, căng ra, căng ra và cuối cùng lực đàn hồi của màng sẽ cân bằng lực của máy bơm và dòng nước sẽ dừng lại hoặc màng sẽ vỡ (Nếu điều này không rõ ràng, hãy tưởng tượng một quả bóng bay sẽ nổ tung nếu bơm quá nhiều)! Điều tương tự cũng xảy ra ở tụ điện. Chỉ ở đó, thay vì màng, một điện trường được sử dụng, điện trường này tăng lên khi tụ điện được tích điện và dần dần cân bằng điện áp của nguồn điện.

Do đó, tụ điện có một điện tích giới hạn nhất định mà nó có thể tích lũy và sau khi vượt quá mức đó sẽ xảy ra hiện tượng sự đánh thủng điện môi trong tụ điện nó sẽ bị đứt và không còn là tụ điện nữa. Có lẽ đã đến lúc cho bạn biết tụ điện hoạt động như thế nào.

Tụ điện hoạt động như thế nào?

Ở trường bạn được dạy rằng tụ điện là một vật bao gồm hai bản cực và một khoảng trống ở giữa chúng. Những tấm này được gọi là tấm tụ điện và dây được nối với chúng để cung cấp điện áp cho tụ điện. Vì vậy, các tụ điện hiện đại không có nhiều khác biệt. Tất cả chúng đều có các tấm và có một chất điện môi giữa các tấm. Nhờ có chất điện môi, đặc tính của tụ điện được cải thiện. Ví dụ, năng lực của nó.

Các tụ điện hiện đại sử dụng nhiều loại chất điện môi khác nhau (xem thêm về điều này bên dưới), chúng được nhét giữa các tấm tụ điện theo những cách phức tạp nhất để đạt được những đặc tính nhất định.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động chung khá đơn giản: đặt điện áp vào và tích lũy điện tích. Các quá trình vật lý đang diễn ra hiện nay có lẽ bạn không quan tâm nhiều, nhưng nếu muốn, bạn có thể đọc về nó trong bất kỳ cuốn sách vật lý nào trong phần tĩnh điện.

Tụ điện trong mạch DC

Nếu chúng ta đặt tụ điện vào một mạch điện (Hình bên dưới), nối nối tiếp một ampe kế với nó và đặt dòng điện một chiều vào mạch, kim ampe kế sẽ co giật một thời gian ngắn, sau đó đóng băng và hiển thị 0A - không có dòng điện trong mạch. Chuyện gì đã xảy ra vậy?

Chúng ta sẽ giả sử rằng trước khi có dòng điện chạy vào mạch thì tụ điện rỗng (phóng điện), khi đưa dòng điện vào thì nó bắt đầu tích điện rất nhanh, còn khi nạp điện (điện trường giữa các bản tụ đã cân bằng nguồn điện). ), thì dòng điện dừng lại (đây là biểu đồ điện tích của tụ điện).

Đây là lý do tại sao người ta nói rằng tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua. Trên thực tế, nó đã trôi qua, nhưng trong một thời gian rất ngắn, có thể được tính bằng công thức t = 3*R*C (Thời gian sạc tụ điện đến 95% thể tích danh định. R là điện trở mạch, C là điện dung của tụ điện) Đây là cách tụ điện hoạt động trong dòng điện một chiều Nó hoạt động hoàn toàn khác trong một mạch biến đổi!

Tụ điện trong mạch điện xoay chiều

Dòng điện xoay chiều là gì? Đây là lúc các electron “chạy” đầu tiên ở đó, sau đó quay lại. Những thứ kia. hướng chuyển động của chúng luôn thay đổi. Sau đó, nếu dòng điện xoay chiều chạy qua tụ điện thì điện tích “+” hoặc điện tích “-” sẽ tích tụ trên mỗi bản của nó. Những thứ kia. Dòng điện xoay chiều sẽ thực sự chảy. Điều này có nghĩa là dòng điện xoay chiều chạy qua tụ điện “không bị cản trở”.

Toàn bộ quá trình này có thể được mô hình hóa bằng phương pháp tương tự thủy lực. Hình ảnh dưới đây cho thấy một mạch tương tự của mạch điện xoay chiều. Piston đẩy chất lỏng về phía trước và phía sau. Điều này làm cho cánh quạt quay qua lại. Hóa ra đó là một dòng chất lỏng xen kẽ (chúng ta đọc là dòng điện xoay chiều).

Bây giờ chúng ta đặt một tụ điện ở dạng màng giữa nguồn lực (piston) và bánh công tác và phân tích xem điều gì sẽ thay đổi.

Có vẻ như sẽ không có gì thay đổi. Giống như chất lỏng thực hiện các chuyển động dao động, nó sẽ tiếp tục dao động như vậy, giống như cánh quạt dao động vì điều này, nó sẽ tiếp tục dao động. Điều này có nghĩa là màng của chúng ta không phải là trở ngại đối với dòng chảy thay đổi. Điều tương tự cũng đúng với một tụ điện điện tử.

Thực tế là mặc dù các electron chạy thành chuỗi không đi qua chất điện môi (màng) giữa các bản của tụ điện, nhưng bên ngoài tụ điện, chuyển động của chúng là dao động (qua lại), tức là. dòng điện xoay chiều. Hở!

Do đó, tụ điện truyền dòng điện xoay chiều và chặn dòng điện một chiều. Điều này rất thuận tiện khi bạn cần loại bỏ thành phần DC trong tín hiệu, ví dụ như ở đầu ra/đầu vào của bộ khuếch đại âm thanh hoặc khi bạn chỉ cần nhìn vào phần biến đổi của tín hiệu (gợn sóng ở đầu ra của DC). nguồn điện áp).

điện trở của tụ điện

Tụ điện có điện trở! Về nguyên tắc, điều này có thể được giả định từ thực tế là dòng điện một chiều không đi qua nó, như thể nó là một điện trở có điện trở rất cao.

Dòng điện xoay chiều lại là một vấn đề khác - nó chạy qua nhưng gặp phải điện trở từ tụ điện:

f - tần số, C - điện dung của tụ điện. Nếu bạn xem xét kỹ công thức, bạn sẽ thấy rằng nếu dòng điện không đổi thì f = 0 và sau đó (xin các nhà toán học chiến binh tha thứ cho tôi!) X c = vô cực. Và không có dòng điện chạy qua tụ điện.

Nhưng điện trở của dòng điện xoay chiều sẽ thay đổi tùy theo tần số và điện dung của tụ điện. Tần số dòng điện và điện dung của tụ càng cao thì khả năng chống lại dòng điện này càng nhỏ và ngược lại. Điện áp thay đổi càng nhanh
điện áp, dòng điện qua tụ càng lớn, điều này giải thích sự giảm Xc khi tần số tăng.

Nhân tiện, một đặc điểm khác của tụ điện là nó không giải phóng điện và không nóng lên! Vì vậy, đôi khi nó được sử dụng để làm giảm điện áp ở những nơi điện trở bốc khói. Ví dụ, để giảm điện áp mạng từ 220V xuống 127V. Và xa hơn:

Cường độ dòng điện trong tụ điện tỷ lệ thuận với tốc độ hiệu điện thế đặt vào các cực của nó

Tụ điện được sử dụng ở đâu?

Có, bất cứ nơi nào yêu cầu đặc tính của chúng (không cho dòng điện một chiều đi qua, khả năng tích lũy năng lượng điện và thay đổi điện trở tùy theo tần số), trong bộ lọc, trong mạch dao động, trong bộ nhân điện áp, v.v.

Có những loại tụ điện nào?

Ngành công nghiệp sản xuất nhiều loại tụ điện khác nhau. Mỗi người trong số họ đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất định. Một số có dòng điện rò rỉ thấp, một số khác có công suất lớn và một số khác có thứ khác. Tùy thuộc vào các chỉ số này, tụ điện được chọn.

Những người phát thanh nghiệp dư, đặc biệt là những người mới bắt đầu như chúng tôi, đừng bận tâm quá nhiều và đặt cược vào những gì họ có thể tìm thấy. Tuy nhiên, bạn nên biết những loại tụ điện chính tồn tại trong tự nhiên.

Hình ảnh cho thấy sự phân chia tụ điện rất thông thường. Tôi đã biên soạn nó theo sở thích của mình và tôi thích nó vì nó cho thấy ngay liệu có tồn tại tụ điện biến thiên hay không, có những loại tụ điện cố định nào và chất điện môi nào được sử dụng trong các tụ điện thông thường. Nói chung, mọi thứ mà một người nghiệp dư trên đài đều cần.

Chúng có dòng rò thấp, kích thước nhỏ, độ tự cảm thấp và có khả năng hoạt động ở tần số cao và trong các mạch dòng điện một chiều, xung và xoay chiều.

Chúng được sản xuất với nhiều loại điện áp và công suất hoạt động: từ 2 đến 20.000 pF và tùy thuộc vào thiết kế, có thể chịu được điện áp lên đến 30 kV. Nhưng thông thường bạn sẽ tìm thấy tụ gốm có điện áp hoạt động lên tới 50V.

Thành thật mà nói, tôi không biết bây giờ chúng có được phát hành hay không. Nhưng trước đây mica được sử dụng làm chất điện môi trong các tụ điện như vậy. Và bản thân tụ điện bao gồm một gói các tấm mica, trên mỗi tấm được dán cả hai mặt, sau đó những tấm như vậy được thu lại thành một “gói” và đóng gói vào hộp.

Chúng thường có công suất từ vài nghìn đến hàng chục nghìn picoforad và hoạt động ở dải điện áp từ 200 V đến 1500 V.

Tụ giấy

Những tụ điện như vậy có giấy tụ điện làm chất điện môi và các dải nhôm làm tấm. Những dải giấy nhôm dài có dải giấy kẹp giữa chúng được cuộn lại và đóng gói thành một chiếc hộp. Đó là mẹo.

Những tụ điện như vậy có công suất từ hàng nghìn picoforad đến 30 microforad và có thể chịu được điện áp từ 160 đến 1500 V.

Có tin đồn rằng chúng hiện đang được những người đam mê âm thanh đánh giá cao. Tôi không ngạc nhiên - họ cũng có dây dẫn một mặt...

Về nguyên tắc, tụ điện thông thường có chất điện môi là polyester. Phạm vi điện dung là từ 1 nF đến 15 mF ở điện áp hoạt động từ 50 V đến 1500 V.

Tụ điện loại này có hai ưu điểm không thể phủ nhận. Đầu tiên, chúng có thể được chế tạo với sai số rất nhỏ chỉ 1%. Vì vậy, nếu nó ghi 100 pF thì điện dung của nó là 100 pF +/- 1%. Và thứ hai là điện áp hoạt động của chúng có thể đạt tới 3 kV (và điện dung từ 100 pF đến 10 mF)

Tụ điện

Những tụ điện này khác với tất cả các tụ điện khác ở chỗ chúng chỉ có thể được kết nối với mạch điện một chiều hoặc dòng điện xung. Họ là cực. Họ có một điểm cộng và một điểm trừ. Điều này là do thiết kế của họ. Và nếu một tụ điện như vậy được bật ngược lại, rất có thể nó sẽ bị phồng lên. Và trước đó họ cũng bùng nổ một cách vui vẻ nhưng không an toàn. Có tụ điện làm bằng nhôm và tantalum.

Tụ điện điện phân nhôm được thiết kế gần giống như tụ điện giấy, điểm khác biệt duy nhất là các bản của tụ điện như vậy là giấy và dải nhôm. Giấy được tẩm chất điện phân và một lớp oxit mỏng được phủ lên dải nhôm, hoạt động như một chất điện môi. Nếu bạn đặt dòng điện xoay chiều vào một tụ điện như vậy hoặc vặn nó trở lại cực đầu ra, chất điện phân sẽ sôi và tụ điện sẽ bị hỏng.

Các tụ điện điện phân có công suất khá lớn, đó là lý do tại sao chúng thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu.

Đó có lẽ là tất cả. Phía sau là các tụ điện có chất điện môi làm từ polycarbonate, polystyrene và có thể là nhiều loại khác. Nhưng tôi nghĩ rằng điều này sẽ là thừa.

Còn tiếp...

Trong phần hai tôi dự định đưa ra các ví dụ về cách sử dụng tụ điện điển hình.

Tụ điện (nắp) là một "pin" nhỏ, sạc nhanh khi có điện áp xung quanh nó và nhanh chóng phóng điện trở lại khi không có đủ điện áp để giữ điện tích.

Đặc tính chính của tụ điện là công suất của nó. Nó được biểu thị bằng ký hiệu C, đơn vị đo của nó là Farad. Điện dung càng lớn thì tụ điện có thể tích điện càng nhiều ở một điện áp nhất định. Ngoài ra hơn hơn năng lực, sự ít hơn tốc độ sạc và xả.

Các giá trị điển hình được sử dụng trong vi điện tử: từ hàng chục picofarad (pF, pF = 0,000000000001 F) đến hàng chục microfarad (μF, μF = 0,000001). Các loại tụ điện phổ biến nhất là gốm và điện phân. Gốm sứ có kích thước nhỏ hơn và thường có điện dung lên tới 1 µF; họ không quan tâm địa chỉ liên hệ nào sẽ được kết nối với điểm cộng và địa chỉ liên lạc nào sẽ được kết nối với điểm trừ. Tụ điện có điện dung từ 100 pF và chúng có cực: một tiếp điểm cụ thể phải được nối với cực dương. Chân tương ứng với điểm cộng được làm dài hơn.

Một tụ điện bao gồm hai bản được ngăn cách bởi một lớp điện môi. Các bản tích lũy điện tích: một bản dương, bản kia âm; từ đó tạo ra sự căng thẳng bên trong. Chất điện môi cách điện ngăn điện áp bên trong biến thành dòng điện bên trong, điều này sẽ cân bằng các tấm.

Sạc và xả

Hãy xem xét sơ đồ này:

Khi công tắc ở vị trí 1, điện áp được tạo ra trên tụ điện - nó sẽ tích điện. Thù lao Q trên tấm tại một thời điểm nhất định được tính theo công thức:

C- dung tích, e- số mũ (hằng số ≈ 2,71828), t- thời gian kể từ khi bắt đầu sạc. Điện tích trên tấm thứ hai luôn có cùng giá trị nhưng ngược dấu. Nếu điện trở R bỏ đi, chỉ còn lại một điện trở nhỏ của dây dẫn (điều này sẽ trở thành giá trị R) và quá trình sạc sẽ diễn ra rất nhanh.

Bằng cách vẽ hàm số trên đồ thị, chúng ta có được hình ảnh sau:

Như bạn có thể thấy, điện tích không tăng đồng đều mà tăng theo cấp số nhân. Điều này là do thực tế là khi điện tích tích tụ, nó tạo ra ngày càng nhiều điện áp ngược Vc, mà "chống lại" V trong.

Tất cả kết thúc với điều này Vc trở nên bằng nhau về giá trị V trong và dòng điện ngừng chảy hoàn toàn. Tại thời điểm này tụ điện được cho là đã đạt đến điểm bão hòa (cân bằng). Điện tích đạt mức tối đa.

Nhớ lại định luật Ohm, chúng ta có thể mô tả sự phụ thuộc của dòng điện trong mạch khi sạc tụ điện.

Bây giờ hệ thống ở trạng thái cân bằng, đặt công tắc ở vị trí 2.

Các bản tụ điện có điện tích trái dấu, chúng tạo ra điện áp - dòng điện xuất hiện qua tải (Tải). Dòng điện sẽ chạy ngược chiều so với chiều của nguồn điện. Sự phóng điện cũng sẽ xảy ra theo cách ngược lại: lúc đầu điện tích sẽ bị mất nhanh chóng, sau đó, với sự sụt giảm điện áp do nó tạo ra, điện tích ngày càng chậm hơn. Nếu cho Q 0 Hãy xác định điện tích trên tụ ban đầu, khi đó:

Các giá trị này trên biểu đồ trông như thế này:

Một lần nữa, sau một thời gian, hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái nghỉ: toàn bộ điện tích sẽ bị mất, điện áp sẽ biến mất và dòng điện sẽ dừng lại.

Nếu bạn sử dụng lại công tắc, mọi thứ sẽ bắt đầu theo vòng tròn. Vì vậy, tụ điện không làm gì khác hơn là ngắt mạch khi điện áp không đổi; và “hoạt động” khi điện áp thay đổi đột ngột. Thuộc tính này xác định thời điểm và cách thức nó được sử dụng trong thực tế.

Ứng dụng vào thực tế

Trong số những mẫu phổ biến nhất trong vi điện tử là các mẫu sau:

Tụ điện dự phòng (nắp bypass) - để giảm gợn sóng điện áp cung cấp

Tụ lọc - để tách các thành phần điện áp không đổi và thay đổi, để cách ly tín hiệu

Tụ điện dự trữ

Nhiều mạch được thiết kế để cung cấp năng lượng ổn định, liên tục. Ví dụ: 5 V. Nguồn điện cung cấp cho họ. Nhưng các hệ thống lý tưởng không tồn tại và trong trường hợp có sự thay đổi đột ngột về mức tiêu thụ hiện tại của thiết bị, chẳng hạn như khi một bộ phận được bật, nguồn điện không có thời gian để “phản ứng” ngay lập tức và ngắn hạn. sụt áp xảy ra. Ngoài ra, trong trường hợp dây từ nguồn điện đến mạch đủ dài, nó bắt đầu hoạt động như một ăng-ten và cũng tạo ra nhiễu không mong muốn vào mức điện áp.

Thông thường, độ lệch so với điện áp lý tưởng không vượt quá một phần nghìn volt và hiện tượng này hoàn toàn không đáng kể khi cấp nguồn, chẳng hạn như đèn LED hoặc động cơ điện. Nhưng trong các mạch logic, nơi việc chuyển đổi logic 0 và logic 1 xảy ra dựa trên những thay đổi về điện áp nhỏ, nhiễu nguồn điện có thể bị nhầm với tín hiệu, điều này sẽ dẫn đến việc chuyển đổi không chính xác, giống như hiệu ứng domino, sẽ khiến hệ thống bị ảnh hưởng. trong tình trạng khó lường.

Để tránh những sự cố như vậy, một tụ điện dự phòng được đặt ngay phía trước mạch điện.

Tại thời điểm điện áp đầy, tụ điện được tích điện đến mức bão hòa và trở thành điện tích dự trữ. Ngay khi mức điện áp trên đường dây giảm xuống, tụ điện dự phòng hoạt động như một cục pin nhanh, giải phóng điện tích tích lũy trước đó để lấp đầy khoảng trống cho đến khi tình trạng trở lại bình thường. Sự hỗ trợ như vậy đối với nguồn điện chính xảy ra rất nhiều lần mỗi giây.

Nếu chúng ta nghĩ theo một quan điểm khác: tụ điện tách thành phần xoay chiều ra khỏi điện áp một chiều và truyền nó qua chính nó, đưa nó từ đường dây điện xuống đất. Đây là lý do tại sao tụ điện dự phòng còn được gọi là "tụ điện rẽ nhánh".

Kết quả là điện áp được làm mịn trông như thế này:

Các tụ điện điển hình được sử dụng cho các mục đích này là tụ gốm có giá trị danh nghĩa là 10 hoặc 100 nF. Các tế bào điện phân lớn ít phù hợp với vai trò này, bởi vì chúng chậm hơn và sẽ không thể giải phóng điện tích nhanh chóng trong những điều kiện này, nơi có tiếng ồn tần số cao.

Trong một thiết bị, các tụ điện dự phòng có thể có ở nhiều nơi: phía trước mỗi mạch điện là một khối độc lập. Ví dụ, Arduino đã có sẵn các tụ điện dự phòng để đảm bảo bộ xử lý hoạt động ổn định, nhưng trước khi cấp nguồn cho màn hình LCD kết nối với nó, bạn phải lắp đặt tụ điện của riêng mình.

Tụ lọc

Một tụ lọc được sử dụng để loại bỏ tín hiệu khỏi cảm biến, truyền tín hiệu dưới dạng điện áp khác nhau. Ví dụ về các cảm biến như vậy là micrô hoặc ăng-ten Wi-Fi đang hoạt động.

Chúng ta hãy xem sơ đồ kết nối của một micro điện tử. Micrô điện tử là loại phổ biến và phổ biến nhất: đây là loại được sử dụng trong điện thoại di động, phụ kiện máy tính và hệ thống truyền thanh công cộng.

Micrô cần có nguồn điện để hoạt động. Trong trạng thái im lặng, điện trở của nó cao và lên tới hàng chục kiloohm. Khi tiếp xúc với âm thanh, cổng của bóng bán dẫn hiệu ứng trường tích hợp bên trong sẽ mở ra và micro mất đi điện trở bên trong. Sự mất đi và phục hồi điện trở xảy ra nhiều lần trong mỗi giây và tương ứng với pha của sóng âm.

Ở đầu ra, chúng ta chỉ quan tâm đến điện áp tại những thời điểm có âm thanh. Nếu không có tụ điện C, đầu ra sẽ luôn bị ảnh hưởng thêm bởi điện áp cung cấp không đổi. C chặn thành phần không đổi này và chỉ cho phép những sai lệch tương ứng với âm thanh đi qua.

Âm thanh mà chúng ta quan tâm là âm thanh có tần số thấp: 20 Hz - 20 kHz. Để cách ly tín hiệu âm thanh khỏi điện áp chứ không phải nhiễu nguồn tần số cao, như C Một tụ điện điện phân chậm có giá trị danh nghĩa là 10 µF được sử dụng. Nếu sử dụng tụ điện nhanh, chẳng hạn như 10 nF, thì tín hiệu không phải âm thanh sẽ truyền đến đầu ra.

Lưu ý rằng tín hiệu đầu ra được cung cấp dưới dạng điện áp âm. Tức là khi đầu ra được nối đất, dòng điện sẽ chạy từ mặt đất đến đầu ra. Giá trị điện áp cực đại trong trường hợp micrô là hàng chục milivolt. Để đảo ngược điện áp và tăng giá trị của nó, đầu ra V ra thường được kết nối với bộ khuếch đại hoạt động.

Kết nối tụ điện

Nếu so sánh với cách đấu nối các điện trở thì việc tính giá trị cuối cùng của tụ điện lại ngược lại.

Khi mắc song song, tổng điện dung được tính bằng:

Khi mắc nối tiếp, công suất cuối cùng được tính theo công thức:

Nếu chỉ có hai tụ điện thì với cách mắc nối tiếp:

Trong trường hợp cụ thể có hai tụ điện giống hệt nhau, tổng điện dung của mắc nối tiếp bằng một nửa điện dung của mỗi tụ điện.

Đặc điểm giới hạn

Tài liệu cho mỗi tụ điện cho biết điện áp tối đa cho phép. Vượt quá nó có thể dẫn đến sự cố điện môi và nổ tụ điện. Đối với tụ điện, phải quan sát cực tính. Nếu không, chất điện phân sẽ rò rỉ ra ngoài hoặc sẽ lại xảy ra vụ nổ.