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

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

- -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

HÀ NỘI, 2013

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 đềtài 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

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

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 trò của tụ điện trong mạch lọc 28

3.3 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 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

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 gợnsóng 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 vàứng 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”

2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu cấu tạo của tụ điện

- Biết cách phân loại tụ điện

- Vai trò của tụ điện trong một số mạch điện

- Biết cách đọc các chỉ số trên tụ điện

3 Đối tượng nghiên cứu.

- Tụ điện có trị số xác định

+ Tụ điện một chiều

+ Tụ điện xoay chiều

- Tụ điện có trị số biến đổi (tụ xoay)

1

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.

- Xây dựng một hệ thống các bài tập về mạch điện có chứa tụ điện

- Tìm hiểu về một số ứng dụng quan trọng của tụ điện trong đời sống và trong khoa học kĩ thuật

- Đọc và tra cứu tài liệu

7 Cấu trúc khóa luận.

Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tụ điện – Điện dung của tụ điện Chương 2 : Phân loại tụ điện

Chương 3 : Một số ứng dụng của tụ điện trong khoa học kĩ thuật

2

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:

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)

1  V 2  1  C  q

- Kết luận: Điện dung của tụ điện có giá trị bằng điện tích trên các bản khi hiệu điện thế giữa hai bản bằng một đơn vị điện thế

- 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)

4

1 2 1 2

1 2 1 2

+ 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 V1 là điện thế của bản mang điện tích +q còn V2 là điện thế của bản mang điện tích

dung C thì phải tăng S và giảm d Tăng S thì kích thước của tụ sẽ lớn, giảm d thế U nhất định, quá hiệu điện thế đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện giữa hai bản tụ Hiệu điện thế lớn nhất mà mỗi tụ có thể chịu được gọi là hiệu điện thế đánh thủng Vậy ta

có thể tăng điện dung bằng cách ghép song song các tụ

hoặc tăng hằng số điện môi 

5

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 làmặt cầu tâm O bán kính r.

6

- Nếu bản ngoài rất xa bản trong ( R2 >> R1) thì C  4 o R1 và kết quả này cũng đúng cả trong trường hợp nếu

bản ngoài không có dạng hình cầu nhưng rất xa bản trong Khi đó C  4 o R1 là điện dung của quả cầu cô lập

- Nếu khoảng không gian giữa hai bản của tụ điện chứa đầy điện môi có hằng số điện môi  thì điện dung của

- Để tính cường độ điện trường tại M nằm trong khoảng không giangiữa 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

7

- Với hai mặt đáy của hình trụ thì ta n  E nên điện thông gửi hai

mặt đáy bằng 0 Điện thông gửi qua mặt S là điện thông gửi qua mặt xung quanh là

S  2  R1 l là diện tích của mỗi bản tụ.

- Tuy nhiên với một chất điện môi xác định ta không thể tăng điện dung của tụ điện bằng cách giảm mãi khoảng cách giữahai bản được, vì khi điện trường giữa hai bản sẽ rất lớn làm cho chất điện môi giữa hai bản trở thành dẫn điện, điệntích trên hai bản sẽ phóng qua lớp điện môi của tụ điện, khi đó ta có tụ điện bị đánh thủng Hơn nữa ta cũng không thể đặtvào các bản của tụ điện hiệu điện thế lớn quá mức chịu đựng của tụ điện Như vậy, muốn có những tụ điện kíchthước nhỏ, điện dung lớn cần chọn những chất điện môi có hằng số điện môi lớn và chịu được hiệu điện thế đánh thủngcao

9

1.2.1 Ghép song song các tụ điện

- Ta có n tụ điện mắc song song với nhau, mắc vào tụ điện như hình vẽ và nguồn điện có hiệu điện thế: V1 – V2

Ta có hai tụ điện mắc nối tiếp với nhau với nhau như hình vẽ

Hai tụ điện này được mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế là :

V1 – V2

10

1 2 n  i

Hiệu điện thế trên mỗi tụ là:

Các tụ điện được ghép thành bộ vừa ghép song song, vừa ghép nối tiếp Để tìm điện dung C của hệ này ta sử dụng lần lượt các công thức tính điện dung của hai cách ghép trên

- 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  V 2

11

 C

Thì điện dung tương đương của hai bộ tụ là :

1

 V1 V2

 1  1

C q C12 C3

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 : q1,q2 , , q n và V1,V2 , ,V n

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

Mà :

W  CU 22

13

2

0

2

2 o là mật độ năng lượng điện trường.

- Trong trường hợp điện trường không đều ta chia khoảng không gian nơi có điện trường thành các vi phân thể tích dV rất nhỏ sao cho trong mỗi vi phân thể tích điện trường là đều

 W   wdV    E 2 dV  DEdV

2 o

2

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

14

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 Khi đưa điện môi vào thì tụ biến thành hai tụ ghép song song

Trước khi đưa điện môi vào năng lượng của tụ là:

Vì   1  W  0  năng lượng của tụ giảm

1.4.2 Bài toán về mạch điện gồm các tụ điện đã được tích điện sau đó ghép lại với nhau

U = U1 = U2 =……… (ghép song song)+ Phương trình của định luật bảo toàn điện tích của hệ cô lập : q1 + q2 +………… = constBài

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

Bài

giải :

Khi K2 mở, K1 đóng tụ C1 được tích điện q1= C1E1

Mở K1 rồi đóng K2 thì 2 tụ được nạp điện nhưng không nối tiếp

2

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 luônluôn có hình trụ

Tụ hóa – Là tụ có phân cực âm dương

* Tụ điện không phân cực: (tụ giấy, tụ gốm, tụ mica)

Là tụ không quy định cực tính , đầu nối thoải mái vào mạng AC lẫn DC Thường có điện dung nhỏ từ 0, 47 F trở xuống, các tụ này thường được dùng trong các mạch điện có tấn số cao hoặc mạch lọc nhiều

19

* Tụ biến dung:

Là tụ có thể xoay để có thể thay đổi giả trị điện dụng, tụ này thường được lắp trong radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài

Tụ xoay sử dụng trong Radio

* Tụ điện hạ (thấp) áp và cao áp:

Do điện áp làm việc mà có phân biệt “tương đối” này

20

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 4 đến 5 lần

Dùng dung môi đất hiếm, tụ này nặng hơn thụ nhôm hóa học và có trị số cực lớn Tụ có thể dùng như một nguồn pin cấp cho vi xử lý hay các mạch đồng hồ cần cấp điện liên tục.

2.2 Cách đọc trị số ghi trên tụ

* Với tụ hóa: Giá trị điện dung của tụ hóa được ghi trực tiếp trên thân tụ.

Tụ hóa là tụ có phân cực (-), (+) và luôn luôn có hình trụ Trên thân có ghi dấu (-) dọc theo thân trụ thì đó là cực âm của tụ hóa

Tụ hóa ghi điện dung là 185F / 320V

* Với tụ gốm,tụ giấy : Có trị số ghi bằng ký hiệu

23

Cách đọc: Hai chữ số đầu giữ nguyên, số thứ 3 thì tương ứng với con số 0 được thêm đằng sau 2 số đầu.

Ví dụ: trên tụ gốm ghi 474K nghĩa là:

Giá trị = 47  10.4=470000pF (lấy đơn vị là pico Fara) Chữ K hoặc J ở cuối là chỉ sai số 5% hay 10% 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:+ Nếu mà có 3 chữ số: hai chữ số đầu có nghĩa nhân với số thứ 3 là số mũ 10 của số đó và đơn vị là pF.

+ Nếu mà có 2 chữ số: thì hai chữ số này có nghĩa luôn và đơn vị của nó là pF

* Ý nghĩa của giá trị điện áp ghi trên thân tụ:

Ta thấy rằng bất kể tụ điện nào cũng được ghi trị số điện áp ngay sau giá trị điện dung, đây là giá trị điện áp cực đại mà tụ chịu được, quá điện áp này tụ sẽ bị nổ.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

25