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

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   HÀ NỘI, 2013   LỜI CẢM ƠN      Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, khẩn trương đến nay đề tài khóa  luận tốt nghiệp của em đã hồn thành. Trong thời gian nghiên cứu em đã được  sự giúp đỡ tận tình của giảng viên – Th.s Hồng Phúc Huấn – người trực tiếp  hướng dẫn em làm đề tài này cùng các thầy cơ 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,  cơ  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 q trình học tập và hồn thành khóa luận này.                                                                                        Sinh viên thực hiện    Trần Thị Bích Liên LỜI CAM ĐOAN Tơi xin  cam  đoan khóa luận  tốt  nghiệp  “Tụ điện số ứng dụng tụ điện khoa học kĩ thuật”, đây là khóa luận tốt nghiệp của bản thân.  Tất cả những thơng tin tham khảo dùng trong khóa luận lấy từ các cơng 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 hồn  tồn trung thực.    Ngày       tháng          năm 2013  TÁC GIẢ Trần Thị Bích Liên MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỤ ĐIỆN – ĐIỆN DUNG CỦA TỤ ĐIỆN 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 khơng  . 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   Lý 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  khơng 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 dịng điện đi qua) đối với dịng điện xoay chiều  và hở mạch đối với dịng 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 tơi  chọn đề tài “TỤ ĐIỆN VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TỤ ĐIỆN TRONG  KHOA HỌC KĨ THUẬT”.  Mục đích nghiên cứu  -  Tìm hiểu cấu tạo của tụ điện.  - Biết cách phân loại tụ điện.  - Vai trị của tụ điện trong một số mạch điện  - Biết cách đọc các chỉ số trên tụ điện .  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  Giả thuyết khoa học.  Tụ điện là một linh kiện quan trọng trong 5 linh kiện điện tử, tụ điện  khơng 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.  Nhiệm vụ nghiên cứu.  Nghiên  cứu,  tìm  hiểu  sâu  về  tụ  điện,  các  ứng  dụng  của  tụ  điện  trong  khoa học kĩ thuật.  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  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  NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỤ ĐIỆN-ĐIỆN DUNG CỦA TỤ ĐIỆN 1.1 Tụ điện – Điện dung 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 tồn 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 khơng đổi và bản kia nối đất.  1.1.2 Điện dung 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 mơi và khoảng cách giữ hai bản cực.     Cơng thức điện dung của tụ phẳng là:  C  o S d   Trong đó:                       =  8,86.1012  C / N m     C: là điện dung tụ điện, đơn vị là Fara (F)  3   :là hằng số điện môi của lớp cách điện.   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 = 109  F  1pF = 1012  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(V1  V2 )   q q'   C   V1  V2 V1'  V2' Từ :  C Nếu        V  V   q   V1  V2 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 mơi, điện dung của tụ điện lớn hơn khi  giữa hai bản là chân khơng. Nếu chất điện mơi là đồng chất, chứa đầy khơng  gian giữa hai bản, điện dung tăng lên    lần (   là hằng số điện môi của chất  điện môi).  4  1.1.3 Điện dung 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 vơ hạn mang điện với mật độ điện mặt bằng nhau  nhưng trái dấu. Hai bản được coi là hưởng ứng tĩnh điện tồn phần. Gọi   V1  là  điện thế của bản mang điện tích +q cịn   V2  là điện thế của bản mang điện tích  –q.       - Ta có: Điện dung C được xác định từ cơng thức:  C q q  V1  V2 U Trong đó: U = E.d, E là điện trường đều  giữa hai bản tụ điện E  q q  S  C    o  o S Ed d      Nếu giữa hai bản là chân khơng (hay khơng khí) có    = 1 thì  C0        -  Từ  biểu  thức:  C  oS d  C   Co    oS q  U d ta  nhận  thấy  muốn  tăng  điện  dung C thì phải tăng S và giảm d. Tăng S thì kích thước của tụ sẽ lớn, giảm d  thế U nhất định, q 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 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 tồn phần. Để tính  cường độ điện trường tại M cách tâm mặt cầu một khoảng r (R1 Rt.  3.2.2 Lọc điện dung C (hình b)   Điện dung C được đấu song song với tải. Ở đây tác động lọc khác với  lọc điện cảm. Với nguồn một chiều tụ điện khơng ảnh hưởng, cịn với nguồn  xoay chiều tụ  C phản ứng theo tổng trở  Z c    . Do tụ C đấu song song  C tải nên sự phân chia dịng xoay chiều lại theo quy tắc: ZC càng nhỏ hơn Rt thì  dòng  xoay  chiều  càng  bị  hút  vào  đường  đi  qua  tụ  điện,  càng  ít  dịng  xoay  chiều  qua tải, tức là hiệu  quả lọc càng  tốt. Giá trị tụ  lọc tính  gần đúng theo  biểu thức sau:  30  C     m dm1 Rt k dmra Lọc  điện  dung  rất  khó  thực hiện  với  tải  cơng suất lớn,  vì  khi  Rt càng  nhỏ ta càng khó thực hiện điều kiện lọc tốt XC Rt; XC  áp ra trung bình trên tải giảm=> quạt quay chậm 3.5 Vai trị tụ điện mạch điện xoay chiều Tụ điện cho điện áp xoay chiều đi qua vì điện áp xoay chiều có tần số  f>0 do đó dung kháng của tụ nhỏ hơn vơ cùng, khi đó tụ dẫn điện như  một  điện trở (nhưng tụ khơng tiêu thụ cơng suất như điện trở). Tần số điện xoay  chiều càng cao hoặc điện dung tụ càng lớn thì  Z C (dung kháng) càng nhỏ và  điện áp đi qua tụ càng dễ dàng.  3.6 Tụ giấy, gốm tụ hóa có ứng dụng giống khơng?   Cũng là tụ thì đều có tính chất dẫn điện xoay chiều và lọc phẳng điện  áp một chiều, tuy nhiên tụ giấy và tụ gốm (trị số nhỏ)  thường lắp trong các  mạch cao tần cịn tụ hố (trị số lớn) thường lắp trong các mạch âm tần hoặc  lọc nguồn điện có tần số thấp.   * Có thể kiếm được một tụ điện có điện dung tuỳ ý khơng?  Khơng thể kiếm được một tụ điện với điện dung tuỳ ý, vì tụ điện chỉ có  một số giá trị nhất định.  VD:  Với tụ giấy và gốm có các loại sau 5p, 10p, 22p, 33p, 47p, 56p,  68p, 100p, 220p, 1n, 2,2n; 3,3n;  4,7n;  5,6n;  6,8n; 10n;  22n, 33n, 47n, 56n,  68n, 100n, 220n, 470n.    Với tụ hố có các giá trị thơng dụng 0,47micro; 1 micro , 2,2 micro ;  3,3micro;  4,7micro;  5,6micro;  10micro,  22micro,  47micro,  100micro,  220micro,  470micro,  1000micro,  2200micro,  4700micro.    3.7 Muốn tạo tụ điện có điện dung tuỳ ý thì phải làm ?  Bạn có thể đấu song song hoặc nối tiếp các tụ điện lại với nhau, khi dấu  song song thì ta được một tụ có điện dung bằng tổng điện dung các tụ :   C  C1  C2  , khi đấu nối tiếp thì điện dung tương đương sẽ giảm theo  cơng thức :  34  C  C1  C    C1  C         3.8 Cách kiểm tra tụ điện mạch điện nào?  + Nếu nghi tụ bị hỏng ta phải hút rỗng một chân ra khỏi mạch hoặc tháo  ra ngồi để đo.  - Với tụ giấy hay tụ gốm thì dùng thang 1K ohm hay 10K ohm để kiểm  tra.  Tụ  tốt  là sau khi  phóng  nạp kim  đồng hồ  phải trở  về  vị  trí  cũ, nếu  kim  khơng trở về hoặc lên = 0 ohm là tụ bị dị hoặc chập.    - Với tụ hố thì dùng thang 1 ohm hoặc 10 ohm kiểm tra độ phóng nạp  và phải so sánh với một tụ cùng trị số điện dung và mới, nếu độ phóng nạp  bằng nhau là tụ cịn tốt, nếu độ phóng nạp kém tụ mới là tụ bị giảm điện dung   3.8.1 Đo kiểm tra tụ giấy tụ gốm   Tụ giấy và tụ gốm thường hỏng ở dạng bị dị rỉ hoặc bị chập, để phát  hiện tụ dị rỉ hoặc bị chập ta quan sát hình sau đây.      Ở hình trên là phép đo kiểm tra tụ gốm, có ba tụ  C1 ,  C2  và  C3  có điện  dung bằng nhau, trong đó  C1  là tụ tốt,  C2  là tụ bị dị và  C3  là tụ bị chập.   35  Khi đo tụ   C1  (Tụ tốt) kim phóng lên 1 chút rồi trở về vị trí cũ. (Lưu ý  các tụ nhỏ q