Tụ điện và một số ứng dụng của tụ điện trong khoa học kỹ thuật

Chúng thường được dùng kết hợp với các điện trở trong các mạch định thời bởi khả năng tích tụ năng lượng điện trong một khoảng thời gian nhất định.. Đồng thời tụ điện cũng được sử dụng t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 

KHOA VẬT LÝ  - -  

 

 

 

TRẦN THỊ BÍCH LIÊN  

 

 

 

TỤ ĐIỆN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TỤ ĐIỆN

TRONG KHOA HỌC KỸ THUẬT 

 Chuyên ngành: Vật lí đại cương 

  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

  

Người hướng dẫn khoa học TH.S HOÀNG PHÚC HUẤN

 

LỜI CẢM ƠN  

   Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, khẩn trương đến nay đề tài khóa luận tốt nghiệp của em đã hoàn thành. Trong thời gian nghiên cứu em đã được 

sự giúp đỡ tận tình của giảng viên – Th.s Hoàng Phúc Huấn – người trực tiếp hướng dẫn em làm đề tài này cùng các thầy cô trong khoa Vật Lý, đặc biệt là 

tổ Vật lý Đại cương trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 và các bạn sinh viên khoa Vật Lý. 

  Em  xin  trân  trọng  cảm  ơn  các  thầy  giáo,  cô  giáo  trong  khoa  Vật  Lý trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, cùng gia đình, bạn bè đã động viên khích 

lệ và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này.        

Sinh viên thực hiện 

 Trần Thị Bích Liên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi  xin  cam  đoan  khóa  luận  tốt  nghiệp  “Tụ điện và một số ứng dụng

của tụ điện trong khoa học kĩ thuật”, đây là khóa luận tốt nghiệp của bản thân. 

Tất cả những thông tin tham khảo dùng trong khóa luận lấy từ các công trình nghiên cứu có liên quan đều được nêu rõ nguồn gốc trong danh mục tài liệu tham khảo. Các kết quả nghiên cứu đưa ra trong khóa luận tốt nghiệp là hoàn toàn trung thực. 

 Ngày       tháng      năm 2013 

TÁC GIẢ

Trần Thị Bích Liên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỤ ĐIỆN – ĐIỆN DUNG CỦA TỤ ĐIỆN 3

1.1. Tụ điện – Điện dung của tụ điện   3 

1.2. Ghép các tụ điện   10 

1.3. Năng lượng điện trường   12 

1.4. Ứng dụng (giải một số bài tập liên quan đến tụ điện)   14 

CHƯƠNG 2: PHÂN LOẠI TỤ ĐIỆN 19

2.1. Phân loại về tụ điện.   19 

2.2. Cách đọc trị số ghi trên tụ   23 

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TỤ ĐIỆN TRONG KHOA HỌC KĨ THUẬT 27

3.1.Một số ứng dụng của tụ điện   27 

3.2. Vai trò của tụ điện trong mạch lọc   28 

3.3. Vai trò của tụ điện trong động cơ điện   32 

3.4. Vai trò của tụ điện trong chỉnh tốc độ động cơ   33 

3.5. Vai trò của tụ điện trong mạch điện xoay chiều   34 

3.6. Tụ giấy, gốm và tụ hóa có ứng dụng giống nhau không   34 

3.7. Muốn tạo ra một tụ điện có điện dung tùy ý thì phải làm thế nào   34 

3.8. Cách kiểm tra tụ điện trong mạch điện như thế nào   35 

3.9. Cách bảo quản vật liệu gốm và tụ điện   37 

KẾT LUẬN 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

MỞ ĐẦU  

1 Lý do chọn đề tài 

Tụ điện theo đúng tên gọi chính là  linh kiện có chức năng tích tụ năng lượng điện, là  1 trong số 5 linh kiện quan trọng của thiết bị  điện tử. Tụ điện không thể thiếu trong các  mạch lọc,  mạch dao động và mạch truyền dẫn các tín hiệu xoay chiều. Chúng thường được dùng kết hợp với các điện trở trong các  mạch  định  thời  bởi  khả năng  tích  tụ năng  lượng  điện  trong  một  khoảng thời  gian  nhất định.  Đồng  thời  tụ   điện  cũng  được  sử dụng  trong  các nguồn điện với chức năng làm giảm độ gợn sóng của nguồn trong các nguồn xoay  chiều,  hay  trong  các  mạch  lọc  bởi  chức  năng  của  tụ nói  một  cách  đơn giản đó là  tụ ngắn mạch (cho dòng điện đi qua) đối với dòng điện xoay chiều 

và hở mạch đối với dòng điện một chiều. Hiểu  được cấu tạo và ứng dụng của 

tụ điện trong khoa học kĩ thuật là  điều rất cần thiết. Vì các lý do trên nêu tôi chọn đề tài “TỤ ĐIỆN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TỤ ĐIỆN TRONG KHOA HỌC KĨ THUẬT”. 

4 Giả thuyết khoa học. 

Tụ điện  là  một  linh  kiện  quan  trọng  trong  5  linh kiện  điện tử,  tụ  điện không thể  thiếu trong  các  mạch  lọc,  mạch dao động và mạch  truyền  dẫn tín hiệu xoay chiều….Hiểu cấu tạo và hoạt động cũng như ứng dụng của tụ điện 

là điều rất cần thiết và bổ ích. 

5 Nhiệm vụ nghiên cứu. 

Nghiên  cứu,  tìm  hiểu  sâu  về  tụ  điện,  các  ứng  dụng  của  tụ  điện  trong khoa học kĩ thuật. 

6 Phương pháp nghiên cứu. 

NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỤ ĐIỆN-ĐIỆN DUNG CỦA TỤ ĐIỆN

1.1 Tụ điện – Điện dung của tụ điện

1.1.1 Tụ điện

- Định nghĩa: Tụ điện là  một hệ thống gồm hai vật  dẫn tích điện đều trái dấu giữa chúng xảy ra hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện toàn phần. 

-  Tụ điện đơn giản nhất là tụ điện hình cầu, gồm hai quả cầu kim loại đồng tâm. Hai bản kim loại phẳng đặt song song và cách điện với nhau cũng 

có thể coi là tụ điện (tụ điện phẳng), nếu khoảng cách giữa chúng là nhỏ là nhỏ so với kích thước của chúng. Hai hình trụ dẫn điện đồng trục cũng có thể coi  là  tụ  điện  (tụ  điện  hình  trụ)  nếu  chiều  dài  của  chúng  lớn  so  với  khoảng cách giữa chúng. Hai vật dẫn tạo nên tụ điện được gọi là hai bản của tụ điện. 

Vì các đường sức bắt đầu từ  một bản và tận cùng ở bản kia của tụ điện nên điện tích của hai bản là bằng nhau về trị số và khác dấu. Để tích điện cho tụ 

có nhiều cách: ta nối hai bản tụ điện với hai cực của nguồn điện, bản dương nối với cực dương, bản âm nối với cực âm của nguồn điện hoặc nối một bản của tụ với nguồn điện không đổi và bản kia nối đất. 

1.1.2 Điện dung của tụ điện

   Điện  dung  là  đại  lượng  nói  lên  khả  năng  tích  điện  trên  hai  bản  cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực. 

   Công thức điện dung của tụ phẳng là: 

o S C

 d: là chiều dày của lớp cách điện. 

 S: là diện tích đối diện. 

- Đơn vị điện dung của tụ : Đơn vị là Fara (F), 1Fara là rất lớn do đó trong thực tế thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (µF) , NanoFara (nF), PicoFara (pF). 

1µF = 106 F  

1nF =  9

10  F 1pF =  12

10  F 

- Giả  sử  ở  một  trạng  thái  nào  đó  của  tụ  điện,  giá  trị  tuyệt  đối  của  điện tích trên các bản là q, hiệu điện thế giữa hai bản là: U = V1 – V2. Ta xét một trạng thái khác của tụ điện trong đó q’ = nq và hiệu điện thế giữa hai bản cũng biến đổi n lần: V1' V2' n V( 1V2) 

' ' '

- Khi giữa hai bản có chất điện  môi, điện dung của tụ điện lớn hơn khi giữa hai bản là chân không. Nếu chất điện môi là đồng chất, chứa đầy không gian giữa hai bản, điện dung tăng lên  lần ( là hằng số điện môi của chất điện môi). 

1.1.3 Điện dung của một số tụ điện

+ Tụ điện phẳng:

  -    Đó  là  hệ  hai  bản  kim  loại  phẳng  cùng  diện  tích  S  đặt  song  song  và cách nhau một đoạn d. Hai bản này là hai bản của tụ điện. Khoảng cách d rất bé 

so với khoảng cách giữa hai bản. Do đó điện trường giữa hai bản được coi như gây bởi hai mặt song song vô hạn mang điện với mật độ điện mặt bằng nhau nhưng trái dấu. Hai bản được coi là hưởng ứng tĩnh điện toàn phần. Gọi  V  là 1

+ Tụ điện cầu

Tụ điện cầu là tụ điện mà hai bản tụ là hai mặt cầu đồng tâm tích điện trái dấu, giữa chúng xảy ra hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện toàn phần. Để tính cường độ điện trường tại M cách tâm mặt cầu một khoảng r (R1< r <  R2) ta chọn mặt Gauxo là mặt cầu tâm O bán kính r. 



  Mà: 

 



        + Tụ điện trụ

      Hai bản của tụ điện là hai mặt trụ kim loại đồng trục bán kính R1, R2. Nếu chiều cao l rất lớn so với bán kính R1, R2 ta có thể coi điện trường giữa hai bản như điện trường gây ra bởi hai mặt trụ mang điện dài vô hạn. Khoảng không gian giữa hai bản của tụ điện hình trụ là chân không (không khí), giữa chúng xảy ra hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện toàn phần. 

        -  Để  tính  cường  độ  điện  trường  tại  M  nằm  trong  khoảng  không  gian giữa hai bản tụ và cách trục hình trụ một khoảng r ( R1 < r < R2 ) ta chọn mặt Gauxơ là một mặt trụ đồng trục với hai mặt trụ của tụ điện đồng thời quy ước 

vẽ vectơ pháp tuyến n

với mặt trụ hướng từ trong ra ngoài. 

o

q N

o R

2

l n

l C

R R

  



 

         - Nếu khoảng cách giữa hai bản d = R2 – R1 << R1 thì theo công thức tính gần đúng ta có : 

ta có tụ điện bị đánh thủng. Hơn nữa ta cũng không thể đặt vào các bản của tụ điện  hiệu  điện  thế  lớn  quá  mức  chịu  đựng  của  tụ  điện.  Như  vậy,  muốn  có những tụ điện kích thước nhỏ, điện dung lớn cần chọn những chất điện môi có hằng số điện môi lớn và chịu được hiệu điện thế đánh thủng cao. 

V1 – V2 

          Do hiện tượng hưởng ứng tĩnh điện toàn phần trên mỗi tụ đều có điện tích là q. 

  - Theo hình vẽ ta có các tụ ghép với nhau như sau : 

C 1 / /C 2 n t C 3  

Và nguồn điện có hiệu điện thế của cả  đoạn mạch là :   V1  V2  

1.3 Năng lượng điện trường

1.3.1 Năng lượng của một hệ vật dẫn tích điện

-  Giả sử có một hệ vật dẫn cân bằng điện, có các điện tích và điện thế lần lượt là : q q1, 2, ,q  và  n V V1, 2, ,V   n

- Năng lượng của hệ điện điểm:

1

1

W = 2

n

i i i

q V



- Đối với tụ điện: Khi tích điện cho tụ ta nối hai bản tụ với hai cực của nguồn điện. Khi đó nguồn điện phải thực hiện một công để đưa các điện tích tới hai bản tụ. Khi hiệu điện thế giữa hai bản là U mà nguồn tiếp tục đưa một lượng  điện  tích  vào  hai  bản  tụ  thì  nguồn  điện  phải  thực  hiện  một  công  để thắng lực tĩnh điện: 

dA = u. dq = C.u.du 

Công  mà  nguồn  điện  phải  thực  hiện  để tích  điện  cho  tụ làm  cho  hiệu điện thế của tụ tăng từ 0 đến U là: 

2 2

q CU

q CU

C

    tìm được trên cơ sở lập luận cho tụ điện tĩnh điện và năng lượng đó có thể định xứ trên các điện tích ở hai bản tụ . 

- Cả lý thuyết và thực nghiệm đều xác nhận trường điện từ biến thiên theo  thời  gian  tồn  tại  ngay  cả  khi  không  có  điện  tích  và  dòng  điện.  Trường điện từ biến thiên lan truyền tạo thành sóng điện từ. Sóng điện từ mang năng lượng.  

Như vậy năng lượng điện từ nói chung và năng lượng điện nói riêng định xứ trong trường. 

-  Điện  trường  mang năng lượng.  Vậy  phần  năng  lượng  của  tụ điện  là năng lượng của điện trường tồn tại giữa các bản của tụ điện. 

-  Ta  xét  trường  hợp  tụ  điện  phẳng  thì  điện  trường  giữa  hai  bản  tụ  là điện trường đều. 

2

1W

2CU

Mà : 

1.4 Ứng dụng (giải một số bài tập liên quan đến tụ điện)

1.4.1 Bài tập ghép các tụ điện khi chưa tích điện

Phương pháp giải: 

- Nhận biết các tụ trong  mạch được ghép với nhau như thế nào (ghép nối tiếp, ghép song song hay ghép hỗn hợp). 

- Nếu sơ đồ mạch điện phức tạp thì ta có thể vẽ lại sơ đồ sao cho đơn giản nhất. 

-  Sau  đó vận dụng các  công thức xác định điện dung của tụ điện  (đối với tụ điện trụ hoặc tụ điện cầu thì áp dụng định lí O – G) và các yếu tố liên quan. 

Bài 1: 

Một tụ điện không khí tích điện tới hiệu điện thế U rồi ngắt khỏi nguồn. Diện tích mỗi bản là S, khoảng cách giữa hai bản là d. Những bản tụ điện được đặt 

1 Tính điện dung của tụ điện ấy? 

2 Tính cường độ điện trường trong khoảng giữa hai bản ở phần không khí và ở phần chất điện môi? 

3 Sự  phân  bố  lại  mật  độ  điện  tích  trên  mặt  mỗi  bản  tụ  điện  như  thế nào? 

4 Xác  định  độ biến thiên năng lượng  của tụ?  Coi  mặt ngăn giữa  điện môi và không khí là mặt phẳng và bỏ qua độ cong của đường sức ở mặt biên. 

Bài giải:

Khi tích điện cho tụ đến hiệu điện thế U thì điện tích của tụ điện là Q = CU. Ngắt tụ ra khỏi nguồn thì điện tích của tụ không đổi.      

 

1

212

1.4.2 Bài toán về mạch điện gồm các tụ điện đã được tích điện sau

đó ghép lại với nhau

Phương pháp giải: 

Đây là loại bài toán về mạch điện gồm các tụ điện đã được tích điện sau 

đó  ghép  lại  với  nhau,khi  đó  có  sự  phân  bố  lại  điện  tích  trên  các  bản  của  tụ điện và có sự dịch chuyển của các điện tích trong mạch.Để giải loại bài toán này ta cần dựa vào các phương trình sau: 

+ Phương trình về hiệu điện thế: 

U = U1 = U2 =………  (ghép song song) 

+ Phương trình của định luật bảo toàn điện tích của hệ cô lập : 

q1 + q2 +………… = const       

Bài 1: 

   Cho mạch điện như hình vẽ. Lúc đầu K2 mở còn K1 đóng, sau đó K1 mở, K2 đóng. Xác định hiệu điện thế U1 và U2 của hai tụ.  

Chương 2: PHÂN LOẠI TỤ ĐIỆN 2.1 Phân loại tụ điện

2.1.1 Theo tính chất lý hóa và ứng dụng

      Có các loại tụ điện: 

* Tụ điện phân cực:  (tụ hóa) 

Là  loại  tụ  điện  có  hai  đầu  (+),  (-)  rõ  ràng,  không  thể  mắc  ngược  đầu trong mạng điện được. Tụ hoặc có giá trị từ  0, 47 F  đến khoảng 4700 F , tụ hóa  thường  được  sử  dụng  trong các  mạch  có  tần  số thấp  nhất hoặc  dùng để lọc nguồn, tụ hóa luôn luôn có hình trụ. 

 

* Tụ lọc (nguồn) và tụ liên lạc (liên tăng):

      Tụ  điện  dùng  vào  mục  tiêu  cụ  thể  thì  gọi  tên  theo  ứng  dụng,  và  đây cũng là phân biệt “tương đối”. 

2.1.2 Theo cấu tạo và dạng thức

* Tụ điện gốm (tụ đất):

       Gọi tên như vậy do chúng được làm bằng ceramic, bên ngoài bọc keo hay nhuộm màu. Gốm điện môi được dùng là COG, X7R, Z5U v.v…

- Tụ gốm đa lớp : là loại tụ gốm có nhiều lớp bán cực cách điện bằng gốm.  Tụ này đáp ứng cao tần và điện áp cao hơn loại tụ gốm thường khoảng 

* Tụ tantalium:

       Tụ này  có bán cực nhôm và dùng gel tantal làm dung môi, có trị số rất   lớn với thể tích nhỏ. 

 

* Tụ polyester:

       Ngày nay loại tụ này hiếm được sử dụng. Giá trị của loại tụ này thường được  in  ngay    trên  tụ  theo  giá  trị    pF.  Tụ  này  có  một  nhược  điểm    là  dễ  bị hỏng do nhiệt hàn nóng. 

 

 

* Một số trị số khác của tụ điện:

 

 

       - Ngoài ra còn gặp những loại tụ điện khác nhau nữa. Các loại tụ điện này chỉ ghi số trên thân tụ điện như là tụ đất. Nếu mà tụ nào mà ghi mỗi số không thì: 

  Khi lắp tụ vào trong một mạch điện có điện áp là U thì bao giờ người ta cũng lắp tụ điện có giá trị điện áp Max cao gấp khoảng 1,4 lần. 

Điện áp của mạch       Điện áp của tụ 

5V         10V 

12V        16V 

18V       25V 

  Tụ  điện  sẽ  phóng  điện  từ  cực  dương  sang  cực  âm.  Điện  dung  của  tụ càng lớn thì thời gian tích điện càng lâu. 

 

 

 Tụ nạp điện:

  Như hình trên, khi khóa K1 đóng, dòng điện từ nguồn U đi qua bóng đèn  để  nạp vào  tụ,  dòng  nạp  này  làm  bóng  đèn lóe  sáng, khi  tụ  nạp  đầy  thì dòng nạp giảm bằng 0 khi đó bóng đèn sẽ tắt. 

 Tụ phóng điện:

  Khi tụ đã nạp đầy nếu khóa K1 mở, khóa K2 đóng thì dòng điện từ cực dương (+) của tụ phóng qua bóng đèn về cực âm (-) của tụ làm bóng đèn lóe sáng , khi tụ hết điện thì bóng đèn sẽ tắt. 

Chương 3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TỤ ĐIỆN TRONG

KHOA HỌC KĨ THUẬT

3.1 Một số ứng dụng của tụ điện

Tụ điện được sử dụng rất nhiều trong kĩ thuật và điện tử, trong các thiết 

bị điện tử tụ điện là một linh kiện không thể thiếu được, mỗi mạch điện thì tụ đều có một công dụng nhất định như dẫn truyền tín hiệu, lọc nhiễu, lọc điện nguồn, tạo dao  động v.v… 

- Cho điện áp xoay chiều đi qua và ngăn điện áp một chiều lại, do đó tụ được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các tầng khuyếch đại có chênh lệch về điện áp một chiều. 

- Lọc điện xoay chiều sau khi đã được chỉnh lưu (loại bỏ pha âm) thành điện áp một chiều bằng phẳng đó là nguyên lý của các tụ lọc nguồn. 

- Với điện AC (xoay chiều) thì tụ dẫn điện còn với điện DC (một chiều) thì tụ lại trở thành tụ lọc. 

* Tụ giấy và tụ gốm (trị số nhỏ) thường lắp trong các mạch cao tần còn 

tụ hóa (trị số lớn) thường lắp trong các mạch âm tần hoặc lọc nguồn điện có tần số thấp.     

* Tụ hóa trong mạch lọc nguồn có tác dụng lọc cho điện áp một chiều sau khi đã chỉnh lưu được bằng phẳng để cung cấp cho tải tiêu thụ, nếu không 

có  tụ  thì  áp  DC  sau  đi  ốt  là  điện  áp  nhấp  nhô,  khi  có  tụ  điện  này  được  lọc tương đối bằng phẳng, tụ điện càng lớn  thì điện áp DC này càng bằng phẳng. 

          + Khi mắc phối hợp với cuộn cảm sẽ hình thành mạch cộng hưởng. 3.2 Vai trò của tụ điện trong mạch lọc

  Để tạo ra một dạng điện áp một chiều đều đặn từ ngõ ra của bộ chỉnh lưu,  cần  phải  có  một  mạch  "san  bằng",    còn  gọi  là  mạch  lọc.  Mạch  lọc đơn giản nhất dùng  một  tụ  tích điện, hay tụ lọc hoặc  tụ  san bằng  đặt  vào  đầu  ra của mạch chỉnh lưu. Mạch này vẫn còn lưu lại một ít thành phần điện áp xoay chiều (gợn sóng) vì điện áp không hoàn toàn bằng phẳng.