Điện dung là tính chất của một vật dẫn điện đặc trưng cho khả năng tích điện của nó. Một dụng cụ điện tử gọi là tụ điện được thiết kế để mang lại điện dung trong một mạch điện bằng cách cung cấp một phương tiện lưu trữ năng lượng trong điện trường nằm giữa hai vật dẫn.
Hình 1. Chai Leyden Kliest và Musschenbroek, khoảng năm 1745
Vào khoảng năm 1745, Ewald Christian von Kliest và Pieter van Musschenbroek đã độc lập nhau khám phá ra điện dung trong mạch điện. Trong khi bận bịu với các nghiên cứu tĩnh điện, họ đã phát hiện thấy rằng một điện tích có thể được lưu trữ trong một khoảng thời gian nào đó. Họ đang sử dụng một dụng cụ khi ấy gọi là chai Leyden gồm một chai thủy tinh có nút đậy chứa nước với một đinh nhọn xuyên qua nút đậy và dìm vào trong nước. Họ nối cái đinh với một điện tích tĩnh điện. Sau khi ngắt kết nối cái đinh khỏi nguồn tích điện, họ nhận thấy bị sốc điện khi chạm tay vào cái đinh. Điều này chứng minh dụng cụ đã trữ lại điện tích.
Năm 1947, John Bevis đã cải tiến dụng cụ bằng cách thay nước trong chai bằng lá kim loại. Ông lát song song lá kim loại ở bên trong và bên ngoài chai. Cách này tạo ra một tụ điện với hai vật dẫn (hai lớp lá kim loại ở bên trong và bên ngoài) cách đều nhau bởi thành chai thủy tinh cách điện. Đặc điểm thiết kế này vẫn được giữ ở tụ điện hiện đại. Chai Leyden còn được Benjamin Franklin dùng để chứa điện tích thu từ tia sét và trong các thí nghiệm khác. Thật vậy, hiện tượng sét trong thiên nhiên gây ra điện dung trong những điện trường khổng lồ phát triển giữa các đám mây, hoặc giữa đám mây và mặt đất, trước khi tia sét phóng điện.
Tụ điện được sử dụng theo nhiều cách trong các mạch điện tử, ví dụ như làm vật cản dòng điện một chiều, bộ nhớ lưu trữ trong chip máy tính, lưu trữ điện tích cho đèn flash camera điện tử, hoặc điều chỉnh mạch dò sóng trong radio.
Mô tả tụ điện
Một tụ điện ở dạng đơn giản nhất của nó gồm hai bản dẫn điện cách nhau bởi một lớp cách điện gọi là điện môi. Khi nối một tụ điện trong một mạch điện vào một nguồn điện áp, thì điện áp dồn các electron lên trên bề mặt của một bản tụ và hút các electron ra khỏi bề mặt của bản tụ kia, gây ra một hiệu điện thế giữa hai bản. Ứng dụng của các tụ điện là nạp điện và phóng điện khi cần thiết. Các tụ điện khác nhau về kích cỡ và sắp xếp của các bản tụ và loại chất điện môi được sử dụng. Giấy, sứ, không khí, mica, và chất điện phân có thể được sử dụng, tùy thuộc vào loại điện môi cần thiết. Điện dung của một tụ điện có thể cố định hoặc tùy chỉnh được (như nút chỉnh đài radio).
Tích điện cho tụ
Khi nối tụ điện với một nguồn điện áp, ví dụ như pin, thì điện áp ép các electron lên trên một bản tụ mang lại một bản tích điện âm. Các electron của bản tụ kia bị pin hút ra khỏi bản để lại một bản tích điện dương. Vì điện môi nằm giữa hai bản là chất cách điện, nên dòng điện không thể chạy qua nó. Mỗi tụ điện có khả năng chứa một lượng điện tích hữu hạn. Khi một tụ điện đạt tới giới hạn chứa của nó thì nó được nạp đầy điện.
Sơ đồ bên dưới minh họa sự tích điện của một tụ điện. Hình 2 thể hiện một mạch điện chứa một dây dẫn nối với bộ nguồn, một công tắc mở, và một tụ điện. Tụ điện trong Hình 2 không được nạp điện. Không có hiệu điện thế giữa hai bản tụ.
Hình 2
Khi công tắc đóng, như trong Hình 3, có một sự tràn điện tức thời qua dây dẫn và đến hai bản tụ. Khi dòng điện đi tới bản âm của tụ điện, nó bị chặn lại bởi lớp điện môi.
Hình 3
Sự tràn của dòng điện tới tụ điện gây ra một đối suất điện động ở dây dẫn và hai bản tụ. Đối suất điện động này được gọi là điện kháng. Khi điện kháng đạt tới mức bằng với điện áp của pin, thì tụ được nạp đầy điện. Không còn dòng điện chạy nữa. Khi tụ được nạp đầy điện, công tắc có thể mở và tụ sẽ vẫn giữ được điện tích của nó (Hình 4). Do sự khác biệt điện tích trên hai bản tụ nên có một nguồn thế năng trong tụ điện. Năng lượng được dự trữ là năng lượng cần thiết để tích điện cho tụ.
Hình 4
Các đường sức giữa hai bản tụ biểu diễn trường lực điện (xem Hình 3 và Hình 4). Trường lực điện này tồn tại do các điện tích không cân bằng, dương và âm, ở mặt bên trong của hai bản tụ. Dòng điện không thể chạy qua trường tĩnh điện đó do lớp điện môi cách điện. Nói cách khác, hiệu điện thế giữa hai bản gây ra bên trong điện môi một trường tĩnh điện ngăn điện tích lại.
Sự phóng điện của tụ
Tụ đã nạp điện vẽ ở Hình 4 bây giờ một nguồn thế năng. Thế năng này bây giờ có sẵn cho ứng dụng điện tử đã dự tính của nó. Nếu công tắc đóng, như ở Hình 5, dòng điện lập tức sẽ bắt đầu chạy từ bản âm sang bản dương. Tụ đang phóng điện.
Hình 5
Tụ đã nạp điện là một nguồn điện áp cho dòng điện chạy. Dòng điện sẽ ngừng chạy khi điện tích của hai bản tụ bằng nhau trở lại, nghĩa là tụ đã hoàn toàn phóng hết điện.
Các chất điện môi
Vật liệu điện môi trong mỗi tụ điện ngăn cản dòng điện giữa hai bản của nó. Nó còn giữ vai trò một môi trường chịu lực tĩnh điện của tụ đã nạp điện. Nhiều vật liệu đa dạng được sử dụng lam điện môi được cho trong bảng bên dưới.
Các chất điện môi được xếp theo khả năng của chúng chịu lực tĩnh điện theo một con số gọi là hằng số điện môi. Khả năng chịu lực tĩnh điện của một điện môi tỉ lệ thuận với hằng số điện môi. Chân không được lấy làm chuẩn để xếp thứ hạng các điện môi khác. Hằng số điện môi của chân không bằng 1. Bạn có thể thấy trong bảng bên dưới sự chênh lệch rất nhỏ giữa hằng số điện môi của chân không và của không khí. Do đó, không khí thường được xem là có hằng số điện mội bằng 1.
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
Đo điện dung
Điện dung được đo theo farad, đặt theo tên của nhà khoa học Michael Faraday (1791-1867). Nếu một điện tích 1 coulomb được nạp lên hai bản của một tụ điện và hiệu điện thế giữa chúng là 1 volt, thì điện dung khi đó được xác định là 1 farad. Một coulomb bằng điện tích của 6,25 x 1018 electron. Một farad là một lượng điện dung cực lớn. Microfarad (10-6 F) và picofarad (10-12 F) thường được sử dụng hơn.
Điện dung của một tụ điện tỉ lệ với lượng điện tích có thể được trữ trong nó ứng với mỗi volt hiệu điện thế giữa hai bản tụ của nó. Mối liên hệ này được viết ở dạng toán học là:
C = Q/U
Trong đó C là điện dung đo theo farad, Q là lượng điện tích trữ được đo theo coulomb, và U là hiệu điện thế đo theo volt.
Do đó, điện tích trữ được có thể được tính bằng công thức:
Q = CU
Hiệu điện thế hay điện áp của tụ điện có thể được tính bằng công thức:
U = Q/C
Các yếu tố ảnh hưởng tới giá trị của điện dung
Điện dung của một tụ điện chịu ảnh hưởng bởi ba yếu tố:
- Diện tích của hai bản tụ
- Khoảng cách giữa hai bản tụ
- Hằng số điện môi của vật liệu nằm giữa hai bản tụ
Hai bản tụ càng lớn mang lại khả năng tích càng nhiều điện tích. Vì thế, khi diện tích của hai bản tụ tăng thì điện dung tăng.
Điện dung tỉ lệ thuận với trường lực tĩnh điện giữa hai bản tụ. Trường này càng mạnh khi hai bản tụ càng gần nhau. Vì thế, khi khoảng cách giữa hai bản tụ giảm, thì điện dung tăng. Khi khoảng cách giữa hai bản tụ tăng, thì điện dung giảm.
Như đã nói ở trên, khả năng chịu lực tĩnh điện của điện môi tỉ lệ thuận với hằng số điện môi. Do đó, khi hằng số điện môi tăng, thì điện dung tăng.
Xét tổng hợp cả ba yếu tố trên, điện dung của một tụ điện với hai bản tụ song song nhau có thể được tính bằng công thức
C = (8,855εA) ÷ d
Trong đó C là điện dung đo theo picofarad, ε là hằng số điện môi, A là diện tích của một bản tụ đo theo m2, và d là khoảng cách giữa hai bản tụ đo theo m.
Theo magnet.fsu.edu
