Điện Dung Trong Mạch Điện Một Chiều Và Xoay Chiều

Điện Dung – Lưu Trữ Điện Tích Trên Vật Dẫn【Capacitance-Storage of Charge on Conductors】

Ta đã biết vật dẫn và vật cách điện đều có thể tích điện, trở thành vật mang điện tích âm khi thừa electron (điện tích âm | negative charge) hoặc mang điện tích dương khi thiếu electron (điện tích dương | positive charge). Khi đặt một hiệu điện thế (hay điện áp) vào hai bản dẫn đặt gần nhau nhưng không chạm vào nhau, điện tích sẽ được tích tụ trên hai bản dẫn đó tương ứng với hiệu điện thế đặt vào.

Ngay cả khi ngắt nguồn điện, điện tích vẫn tồn tại trên hai bản dẫn. Tuy nhiên, ta có thể loại bỏ điện tích này bằng cách nối hai bản dẫn với nhau hoặc thông qua một mạch điện bên ngoài.

Chú Thích

• (The Ability To Accumulate And Give Up Charge Is Called CAPACITANCE): khả năng tích tụ và giải phóng điện tích được gọi là điện dung
• (Uncharged Plates): Các bản cực không tích điện
• (Charged Plates): Các bản cực tích điện
• (Source of Potential): Nguồn điện thế
• (Switch): Công tắc
• (Charges Equalize When Plates Are Connected By External Circuit): Điện tích trên hai bản cực được trung hòa khi nối với mạch ngoài

Mạch điện cung cấp năng lượng để tích điện cho hai bản cực và sẽ nhận lại năng lượng đó khi điện tích được giải phóng khỏi hai bản cực. Quá trình nạp và phóng điện này tương tự như quá trình hình thành và sụp đổ của từ trường trong cuộn cảm hoặc dây dẫn, với điểm khác biệt là ta đang xét đến điện tích (hay thế năng) thay vì dòng điện.

Giống như việc cuộn dây thành cuộn cảm giúp tăng cường từ trường, khả năng tích trữ điện tích có thể được tăng cường bằng nhiều yếu tố, ví dụ như tăng diện tích bản cực. Ta đã biết rằng giữa hai bản cực tích điện có điện trường tĩnh điện. Khi đưa hai bản cực lại gần nhau, điện trường sẽ mạnh lên, giúp bản cực tích được nhiều điện tích hơn. Khả năng tích lũy và giải phóng điện tích từ mạch điện này được gọi là điện dung.

Điện Dung Trong Mạch Điện Một Chiều DC【Capacitance in DC Circuits】

Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của điện dung đến điện áp trong mạch, ta hãy xem xét một mạch điện đơn giản gồm một tụ điện có hai bản cực, một khóa dạng dao ( cầu dao | knife switch) và một pin khô như hình minh họa. Giả sử ban đầu, cả hai bản cực của tụ điện đều chưa được tích điện và khóa đang ở trạng thái mở. Lúc này, không có dòng điện chạy qua mạch và hiệu điện thế giữa hai bản cực bằng 0.

Chú Thích

• (HOW A CAPACITOR CHARGES): Quá trình nạp điện cho tụ điện
• (Capacitor Plate): Bản cực tụ điện
• (capacitor charge in volts): Điện tích tụ điện tính bằng vôn (Điện áp trên tụ điện)
• (battery voltage): Điện áp pin (hiệu điện thế pin)

Khi đóng khóa, pin cung cấp electron cho bản cực được nối với cực âm và lấy electron từ bản cực được nối với cực dương. Điện áp giữa hai bản cực về lý thuyết sẽ bằng điện áp giữa hai cực của pin, tức là 1,5 vôn. Tuy nhiên, điều này không xảy ra ngay lập tức. Một bản cực phải nhận thêm electron để trở thành bản tích điện âm, trong khi bản cực kia phải nhường electron để trở thành bản tích điện dương thì mới có thể tạo ra hiệu điện thế 1,5 vôn giữa chúng. Khi các electron di chuyển đến bản cực được nối với cực âm của pin, điện tích âm tích tụ lại, cản trở sự di chuyển của các electron khác đến bản cực đó; và tương tự, khi các electron bị lấy đi khỏi bản cực được nối với cực dương, điện tích dương tích tụ, cản trở việc lấy đi thêm electron khỏi bản cực đó. Tác động này trên hai bản cực được gọi là điện dung và nó chống lại sự thay đổi điện áp từ 0 lên 1,5 vôn. Điện dung làm chậm quá trình thay đổi điện áp trong một khoảng thời gian giới hạn nhưng không ngăn cản sự thay đổi đó.

~0~

Khi mở khóa, các bản cực vẫn giữ nguyên trạng thái tích điện do không có đường dẫn giữa chúng để phóng điện. Miễn là không có đường dẫn phóng điện, điện áp giữa hai bản cực sẽ duy trì ở mức 1,5 vôn và nếu đóng khóa lại, mạch điện sẽ không bị ảnh hưởng do tụ điện đã được tích điện.

Chú Thích

• (DC CURRENT FLOW STOPS WHEN THE CAPACITOR BECOMES CHARGED): Dòng điện một chiều ngừng chảy khi tụ điện đã nạp đầy
• (Switch opened— charge remains on plates): Khi mở khóa, điện tích vẫn tồn tại trên hai bản cực

Trong mạch điện có tụ điện, dòng điện chỉ chạy trong một khoảng thời gian ngắn đủ để nạp đầy tụ điện, giống như khi sử dụng nguồn điện một chiều. Khi ta đóng khóa mạch điện một chiều, một ampe kế được mắc nối tiếp để đo dòng điện sẽ cho thấy lúc đầu có một dòng điện rất lớn chạy qua do hai bản cực của tụ điện chưa được tích điện. Sau đó, khi điện tích trên hai bản cực tăng dần, dòng điện sạc sẽ giảm dần cho đến khi bằng 0 – lúc này điện tích trên hai bản cực bằng với hiệu điện thế của nguồn điện một chiều.

Dòng điện nạp cho tụ điện chỉ tồn tại trong khoảnh khắc đầu tiên ngay sau khi đóng khóa. Sau đó, dòng điện sẽ dừng lại do hai bản cực của tụ điện được ngăn cách bởi lớp cách điện, không cho phép electron đi qua. Do đó, tụ điện không cho phép dòng điện một chiều chạy qua mạch một cách liên tục.

~0~

Khi điện áp trong mạch điện thay đổi, bản thân mạch điện sẽ có xu hướng chống lại sự thay đổi đó. Hiện tượng này được gọi là điện dung. Tương tự như điện cảm, ta không thể nhìn thấy điện dung bằng mắt thường, nhưng hiệu ứng của nó luôn hiện hữu trong mọi mạch điện có sự thay đổi về điện áp.

Chú Thích

• (Capacitance Opposes Any Change in Circuit Voltage): Điện dung cản trở sự thay đổi điện áp trong mạch
• (WHEN THE VOLTAGE INCREASES CAPACITANCE TRIES TO HOLD IT DOWN): Khi điện áp tăng, điện dung có xu hướng giữ cho điện áp không tăng
• (VOLTAGE): Điện áp
• (CAPACITANCE): Điện dung (khả năng tích điện)
• (WHEN THE VOLTAGE DECREASES CAPACITANCE TRIES TO HOLD IT UP!): Khi điện áp giảm, điện dung có xu hướng giữ cho điện áp không giảm!

Điện dung chỉ ảnh hưởng đến mạch điện một chiều khi nó được bật và tắt. Trong mạch điện xoay chiều, điện áp luôn thay đổi liên tục nên điện dung luôn có tác động. Lượng điện dung trong mạch phụ thuộc vào cách lắp ráp mạch và các linh kiện điện được sử dụng. Điện dung có thể nhỏ đến mức tác động của nó lên điện áp mạch là không đáng kể.

Đơn Vị Của Điện Dung【Units of Capacitance】

Đơn vị cơ bản của điện dung là fara (F). Một tụ điện có điện dung là 1 fara khi dòng điện sạc 1 ampe chảy qua trong 1 giây, tạo ra sự thay đổi điện áp 1 volt giữa hai bản cực của nó.

Fara là đơn vị quá lớn để sử dụng làm đơn vị điện dung cho các mạch điện thực tế. Do đó, các đơn vị thường được sử dụng là microfara, viết tắt là µF, là một phần triệu của một fara, và picofara, viết tắt là pF (đôi khi được gọi là micromicrofarad, µ.µ.F), là một phần triệu phần triệu của một fara. Bởi vì các công thức điện sử dụng điện dung theo đơn vị fara, bạn phải có thể chuyển đổi các đơn vị điện dung này sang các đơn vị khác. Cách chuyển đổi các đơn vị này giống như cách chuyển đổi đơn vị điện áp, dòng điện, điện trở, v.v. Dấu thập phân dịch chuyển sang trái khi chuyển sang đơn vị lớn hơn, trong khi dịch chuyển sang phải khi chuyển sang đơn vị nhỏ hơn.

Chú Thích

• (CHANGING UNITS OF CAPACITANCE): Chuyển đổi đơn vị đo điện dung
• (MICROFARADS TO FARADS Move the decimal point 6 places to the left 120 µF equals 0.000120 farad): Để chuyển đổi từ microfarad sang farad, ta dịch chuyển dấu thập phân sang trái 6 vị trí. Ví dụ: 120 µF bằng 0,000120 fara
• (FARADS TO MICROFARADS Move the decimal point 6 places to the right 8 farads equals 8,000,000 µF): Để chuyển đổi từ farad sang microfarad, ta dịch chuyển dấu thập phân sang phải 6 vị trí. Ví dụ: 8 fara bằng 8.000.000 µF
• (MICROMICROFARADS TO FARADS Move the decimal point 12 places to the left 1500 µµF equals 0.000000001500 farad): Để chuyển đổi từ micromicrofarad sang farad, ta dịch chuyển dấu thập phân sang trái 12 vị trí. Ví dụ: 1500 µµF bằng 0,000000001500 fara
• (FARADS TO MICROMIGROFARADS Move the decimal point 12 places to the right 2 farads equals 2,000,000,000,000 μμF): Để chuyển đổi từ farad sang micromicrofarad, ta dịch chuyển dấu thập phân sang phải 12 vị trí. Ví dụ: 2 fara bằng 2.000.000.000.000 µµF
• (MICROMICROFARADS TO MICROFARADS Move the decimal point 6 places to the left 250 µµF equals 0.000250 µF): Để chuyển đổi từ micromicrofarad sang microfarad, ta dịch chuyển dấu thập phân sang trái 6 vị trí. Ví dụ: 250 µµF bằng 0,000250 µF
• (MICROFARADS TO MICROMICROFARADS Move the decimal point 6 places to the right 2 µF equals 2,000,000 μμF): Để chuyển đổi từ microfarad sang micromicrofarad, ta dịch chuyển dấu thập phân sang phải 6 vị trí. Ví dụ: 2 µF bằng 2.000.000 µµF

Ký Hiệu Đại Diện Cho Điện Dung【Symbols for Capacitance】

Trong các công thức điện, chữ cái “C” được dùng để biểu thị điện dung tính theo đơn vị fara. Biểu tượng của tụ điện trong mạch điện được minh họa bên dưới. Lưu ý rằng hai thuật ngữ “tụ điện (Capacitor)” và “điện dung (condenser)” có thể được sử dụng thay thế cho nhau vì chúng có cùng ý nghĩa.

Chú Thích

• (Fixed): Cố định
• (Electrolytic, (aluminum or tantalum)): Tụ điện phân (nhôm hoặc tantalum)
• (Variable): Biến đổi (biến thiên)
• (Ganged Variable): Biến thiên ghép nối

Cấu tạo của tụ điện

Cấu tạo của tụ điện phụ thuộc vào 3 yếu tố chính:

• Diện tích bản cực: Bản cực càng lớn thì điện dung càng lớn.
• Khoảng cách giữa hai bản cực: Khoảng cách giữa hai bản cực càng nhỏ thì điện dung càng lớn.
• Loại chất điện môi: Chất điện môi có hằng số điện môi càng lớn thì điện dung càng lớn.

Tụ điện thường được cấu tạo từ hai bản cực dẫn điện, được ngăn cách bởi một lớp vật liệu cách điện gọi là chất điện môi. Các bản cực có thể được làm từ kim loại rắn, lá kim loại hoặc mạ, điển hình là nhôm. Chất điện môi phổ biến bao gồm: không khí, mica, giấy, gốm sứ, nhựa và oxit kim loại.

Chú Thích

• (Capacitors CONSIST OF Two Plates AND THE Dielectric): Tụ điện được cấu tạo bởi hai bản cực và chất điện môi
• (conductor): Vật dẫn điện
• (PLATE): Bản cực
• (DIELECTRIC): Chất điện môi

Diện Tích Bản Cực – Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Điện Dung【Factors which Affect Capacitance-Plate Area】

Diện tích bản cực là yếu tố quan trọng quyết định mức độ điện dung của tụ điện. Diện tích bản cực càng lớn thì điện dung càng lớn. Hãy tưởng tượng như bản cực là một cái thùng chứa. Thùng lớn có thể chứa nhiều nước hơn thùng nhỏ, tương tự như bản cực lớn có thể chứa nhiều electron hơn bản cực nhỏ. Do đó, bản cực lớn có thể tích trữ được nhiều điện tích hơn so với bản cực nhỏ. Điều này có nghĩa là khi diện tích bản cực tăng lên, điện dung cũng tăng lên và ngược lại. Nói cách khác, điện dung tỉ lệ thuận với diện tích bản cực.

Chú Thích

• (Larger plates hold more electrons): Bản cực lớn chứa nhiều electron hơn
• (INCREASED PLATE AREA INCREASES DECREASED PLATE AREA DECREASES CAPACITANCE): Tăng diện tích bản cực làm tăng điện dung, giảm diện tích bản cực làm giảm điện dung

Khoảng Cách Giữa Hai Bản Cực – Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Điện Dung【Factors which Affect Capacitance-Plate Separation】

Tác động giữa hai vật tích điện lên nhau phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng. Vì điện dung phụ thuộc vào khả năng tích tụ điện tích, nên lượng điện dung thay đổi khi khoảng cách giữa các bản cực thay đổi. Điện dung giữa hai bản cực tăng lên khi các bản cực được đưa lại gần nhau và giảm xuống khi các bản cực được di chuyển xa nhau. Do đó, các bản cực càng gần nhau, tác động của điện tích trên một bản cực lên điện tích của bản cực kia càng lớn.

Khi một lượng electron dư thừa xuất hiện trên một bản cực của tụ điện, các electron bị đẩy ra khỏi bản cực đối diện, tạo ra điện tích dương trên bản cực này. Tương tự, một bản cực tích điện dương tạo ra điện tích âm trên bản cực đối diện. Các bản cực càng gần nhau, lực hút giữa chúng càng mạnh và lực này làm tăng điện dung của mạch. Do đó, ta có thể nói rằng điện dung tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bản cực.

Chú Thích

• (INCREASING THE DISTANCE BETWEEN THE PLATES DECREASES CAPACITANCE): Khi khoảng cách giữa hai bản cực tăng lên thì điện dung giảm đi
• (The distance between two charges determines their effect on one another): Khoảng cách giữa hai điện tích quyết định mức độ ảnh hưởng của chúng lên nhau
• (DECREASING THE DISTANCE BETWEEN THE PLATES INCREASES CAPACITANCE): Khi khoảng cách giữa hai bản cực giảm đi thì điện dung tăng lên

Chất Điện Môi – Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Điện Dung【Factors which Affect Capacitance-Dielectrics】

Chú Thích

• (CHANGING THE Dielectric MATERIAL CHANGES THE CAPACITANCE): Thay đổi chất liệu điện môi sẽ thay đổi điện dung
• (Dielectrical material is air): Chất điện môi là không khí
• (Dielectrical material is mica): Chất điện môi là mica
• (Mica dielectric increases the capacitance): Chất điện môi mica làm tăng điện dung

Khi diện tích bản cực và khoảng cách giữa hai bản cực được giữ cố định, việc thay đổi loại chất điện môi sẽ ảnh hưởng đến điện dung của tụ điện.

Ta có thể so sánh tác động của các chất điện môi với không khí:

• Nếu tụ điện có điện dung là X khi sử dụng không khí làm chất điện môi, thì khi sử dụng một loại chất điện môi khác, điện dung của tụ điện sẽ tăng lên X lần, trong đó X là hằng số điện môi của chất điện môi đó.
• Ví dụ: Giấy tẩm dầu có hằng số điện môi là 3, do đó khi sử dụng giấy tẩm dầu làm chất điện môi, điện dung của tụ điện sẽ tăng gấp 3 lần so với khi sử dụng không khí.

Mỗi loại chất điện môi đều có hằng số điện môi khác nhau, do đó chúng sẽ ảnh hưởng khác nhau đến điện dung của tụ điện khi được đặt giữa hai bản cực.

~0~

Bên cạnh đó, độ dày của lớp điện môi còn phụ thuộc vào điện áp định mức của tụ điện. Nói cách khác, chất điện môi phải đủ bền để chịu được điện áp đặt vào hai đầu tụ điện mà không bị hỏng. Do đó, điện áp định mức của tụ điện rất quan trọng và không được vượt quá. Nếu vượt quá điện áp định mức, chất điện môi sẽ bị hỏng dẫn đến hỏng tụ điện. Bảng dưới đây liệt kê hằng số điện môi và cường độ điện môi của một số chất liệu phổ biến.

Chú Thích

• (Material): Chất liệu
• (Dielectric Constant (K)): Hằng số điện môi (K)
• (Dielectric Strength Volts per.001 inch): Cường độ điện môi Vôn trên 0,001 inch
• (Volts per cm): Vôn trên cm

Tóm lại, mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến điện dung là:

trong đó:

• K là hằng số điện môi
• A là diện tích của các bản cực
• D là khoảng cách giữa các bản cực (độ dày của chất điện môi)

Tụ Điện Mắc Nối Tiếp Và Song Song【Capacitors in Series and Parallel】

Kết nối tụ điện theo hai cách: nối tiếp và song song sẽ ảnh hưởng đến tổng điện dung của mạch.

• Nối tiếp: Khi nối các tụ điện theo kiểu nối tiếp, tổng điện dung sẽ giảm đi. Điều này tương tự như việc tăng khoảng cách giữa các bản cực. Công thức tính tổng điện dung trong trường hợp này giống với công thức tính điện trở song song.
• Song song: Khi nối các tụ điện theo kiểu song song, tổng điện dung sẽ tăng lên. Điều này tương tự như việc tăng diện tích bản cực. Công thức tính tổng điện dung trong trường hợp này giống với công thức tính điện trở nối tiếp.

Chú Thích

• (Series Connection INCREASES THE THICKNESS OF THE DIELECTRIC): Kết nối các tụ điện theo kiểu nối tiếp sẽ làm tăng độ dày của lớp điện môi
• (ACTS LIKE): Hoạt động như
• (PLATE AREA REMAINS THE SAME): Diện tích bản cực không thay đổi
• (THICKER DIELECTRIC DECREASES CAPACITANCE): Khi chất điện môi dày hơn thì điện dung giảm đi
• (Series Capacitance Formula): Công thức tính điện dung khi nối tiếp các tụ điện
• (Parallel Connection INCREASES THE PLATE AREA): Kết nối các tụ điện theo kiểu song song sẽ làm tăng diện tích bản cực
• (THICKNESS OF DIELECTRIC REMAINS THE SAME): Độ dày của lớp điện môi không thay đổi
• (Additional plate area): Thêm diện tích bản cực
• (GREATER PLATE AREA INCREASES CAPACITANCE): Khi diện tích bản cực lớn hơn thì điện dung tăng lên
• (Parallel Capacitance Formula): Công thức tính điện dung khi nối song song các tụ điện

Khi nối các tụ điện theo kiểu song song, tổng điện dung của mạch sẽ tăng lên. Điều này là do diện tích bề mặt của các bản cực tiếp xúc với điện tích được tăng lên. Để tính tổng điện dung của các tụ điện nối song song, ta chỉ cần cộng trực tiếp giá trị của từng tụ điện.

Lưu ý rằng khi tính toán điện dung trong mạch nối tiếp hoặc song song, cần đảm bảo tất cả các tụ điện có cùng đơn vị đo, ví dụ như fara (F), microfara (µF), hoặc picofara (pF).

Các Loại Tụ Điện – Loại Biến Đổi【Types of Capacitors-Variable】

Có nhiều loại tụ điện được sử dụng trong thiết bị điện và điện tử. Để bạn chọn được loại tốt nhất cho công việc cụ thể, bạn nên biết cách chúng được chế tạo và cách chúng hoạt động. Bạn cũng nên quen thuộc với các ký hiệu được sử dụng để chỉ các loại tụ điện đặc biệt. Tụ điện thường được phân loại theo vật liệu điện môi của chúng, và chúng có thể là cố định hoặc biến đổi.

Loại tụ điện cơ bản nhất có thể là cố định (fixed) hoặc biến đổi (variable) được chế tạo từ các bản kim loại với khoảng không khí giữa chúng. Một loại tương tự là tụ điện chân không, gồm hai bản tách biệt bởi chân không – chân không chính là điện môi. Điện dung của tụ điện không khí và chân không thường thấp, thường nằm trong khoảng từ 1 pF đến 500 pF, và các bản phải được đặt cách nhau đủ xa để tránh phóng điện.

Chú Thích

• (FIXED AND VARIABLE AIR AND VACUUM CAPACITORS): Tụ điện không khí và chân không: cố định và biến đổi
• (Air Capacitors): Tụ điện không khí
• (Variable gang-Tuning Capacitor): Tụ điện biến đổi điều chỉnh ghép nối

Một loại tụ điện phổ biến khác là tụ điện mica. Loại tụ này có thể thay đổi điện dung, thường có giá trị tối đa không quá 500 pF. Tụ điện mica bao gồm hai bản cực được ngăn cách bởi một lớp mica. Một con ốc vít được sử dụng để điều chỉnh khoảng cách giữa hai bản cực, từ đó thay đổi điện dung.

Trong các loại tụ điện mica lớn hơn, người ta thường sử dụng nhiều lớp bản cực và mica. Những loại tụ này thường được kết nối song song với tụ điện biến đổi lớn hơn để điều chỉnh điện dung một cách chính xác hơn.

Các Loại Tụ Điện – Loại cố Định【Types of Capacitors-Fixed】

Tụ điện cố định có giá trị điện dung cố định, không thể thay đổi. Điều này khác với tụ điện biến đổi, có thể thay đổi giá trị điện dung trong một phạm vi nhất định.

Tụ điện cố định thường được đặt tên theo loại chất điện môi được sử dụng. Ví dụ: tụ điện gốm, tụ điện giấy, tụ điện mica. Các bản cực của những loại tụ này thường được làm từ lá kim loại hoặc mạ kim loại trực tiếp lên lớp điện môi. Để giảm kích thước, các bản cực và lớp điện môi thường được cuộn lại thành hình ống.

Ngày nay, các loại tụ gốm có hằng số điện môi cao được sử dụng rộng rãi. Điều này giúp tạo ra tụ điện có dung lượng lớn mà vẫn giữ kích thước nhỏ gọn.

Chú Thích

• (TYPICAL FIXED CAPACITORS): Các loại tụ điện cố định thường gặp
• (CERAMIC): Gốm sứ
• (OIL-FILLED PAPER): Giấy tẩm dầu
• (Miniature): Thu nhỏ
• (Subminiature): Siêu nhỏ

Các Loại Tụ Điện – Tụ Điện Phân/Tantali【Types of Capacitors-Electrolytic/Tantalytic Capacitors】

Thông thường, các loại tụ điện nhỏ có kích thước nhỏ và giá thành rẻ, thường có điện dung nhỏ hơn 1 µF. Để có được tụ điện với điện dung lớn hơn, người ta sử dụng tụ điện phân.

Tụ điện phân có lớp điện môi rất mỏng được tạo thành bằng phương pháp điện phân. Lớp điện môi mỏng này giúp tạo ra tụ điện có dung lượng cao nhưng kích thước nhỏ gọn. Tụ điện phân có thể đạt được dung lượng lên đến hàng nghìn microfara mà vẫn giữ mức giá hợp lý. Tụ điện phân sử dụng lá nhôm và oxit nhôm làm lớp điện môi.

Tụ điện tantali cũng tương tự, nhưng sử dụng bản cực tantali và oxit tantali. Loại tụ này bền bỉ và ổn định hơn, nhưng giá thành cao hơn nhiều. Do đó, tụ điện tantali thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử quân sự.

Vì cấu tạo cơ bản của tụ điện phân và tantali tương tự nhau, nên chúng ta sẽ chỉ tập trung mô tả về tụ điện phân.

Chú Thích

• (ELECTROLYTIC CAPACITOR): Tụ điện phân
• (NEGATIVE (-) ALUMINUM ELECTRODE): Cực âm nhôm
• (FIBER IMPREGNATED WITH ELECTROLYTE (BORAX OR CARBONATEI)): Sợi thủy tinh ngâm tẩm dung dịch điện phân (borax hoặc cacbonat)
• (OXIDE FILM (DIELECTRIC)): Lớp oxit (chất điện môi)
• (POSITIVE (+) ALUMINUM ELECTRODE): Cực dương nhôm
• (OXIDE FILM): Lớp oxit
• (ELECTRODE (SEMI-DRY)): Bản cực (bán khô)
• (ALUMINUM FOILS): Lá Nhôm

Tụ điện phân được cấu tạo bởi hai lá kim loại được ngăn cách bởi một lớp điện môi và ngâm trong dung dịch điện phân. Ba lớp này được cuộn lại với nhau và được bảo vệ trong một vỏ bọc.

Trong quá trình sản xuất, một điện áp một chiều (DC) được áp dụng vào hai lá kim loại. Dòng điện chạy qua sẽ tạo ra một lớp oxit mỏng trên một lá kim loại. Điều này khiến tụ điện bị phân cực, nghĩa là phải sử dụng đúng chiều điện áp để hoạt động, nếu không sẽ dẫn đến hỏng tụ.

~0~

Lá kim loại có lớp oxit sẽ đóng vai trò là cực dương (+) của tụ điện, lớp oxit này chính là lớp điện môi của tụ điện. Chất điện phân sẽ là cực âm (-) của tụ điện và lá kim loại thứ hai kết nối chất điện phân với mạch điện bên ngoài.

Vì tụ điện phân đã được phân cực, nên chỉ có thể sử dụng nó trong các mạch điện có điện áp một chiều (DC) dao động, điều kiện là chiều điện áp không được đổi chiều. Ngoài ra, khi kết nối tụ điện phân vào mạch, cần chú ý kết nối đúng cực: cực âm của tụ điện phải được nối với cực âm của mạch và cực dương của tụ điện phải được nối với cực dương của mạch.

Lý do là tụ điện phân chỉ hoạt động như một tụ điện khi điện áp được áp dụng theo một chiều nhất định. Khi điện áp được áp dụng theo chiều ngược lại, lớp oxit sẽ bị phá vỡ và tụ điện sẽ hoạt động như một điện trở có giá trị thấp.

Do đó, nếu một tụ điện phân được nối ngược chiều trong mạch, nó có thể bị nổ do dòng điện cao chạy qua nó. Có những tụ điện phân đặc biệt dành cho việc sử dụng trong mạch xoay chiều. Trong những tụ điện này, người ta sử dụng hai bản cực dương, do đó cho phép đảo chiều cực tính của điện áp được áp dụng. Về cơ bản, loại tụ điện này được làm từ hai tụ điện phân được nối ngược chiều nhau (+ với +, + với -).

Tụ điện phân có điện trở rò rỉ thấp hơn nhiều so với các loại tụ điện khác và do đó sẽ không giữ điện tích trong một thời gian dài. Ngoài ra, lớp điện môi oxit rất mỏng nên tụ điện phân thường có phạm vi điện áp giới hạn.

Mã Màu Trên Tụ Điện【Capacitor Color Codes】

Giống như điện trở, tụ điện cũng được đánh dấu để thể hiện thông tin về giá trị điện dung, điện áp định mức, dung sai,… Thông tin này thường được in trực tiếp lên tụ điện, ví dụ như trên tụ điện giấy và tụ điện phân.

Tuy nhiên, đối với một số loại tụ điện như tụ điện mica và gốm, do kích thước nhỏ, người ta sử dụng mã màu tương tự như mã màu điện trở để thể hiện thông tin. Mã màu này cho biết điện dung tính theo đơn vị picofara (pF).

Lưu ý: Mã màu của tụ điện không được chuẩn hóa như mã màu của điện trở. Có thể sử dụng hệ thống 5 hoặc 6 màu để thể hiện thông tin.

Chú Thích

• (Multiplier): Hệ số nhân
• (1st Digit): Chữ số thứ nhất
• (2nd Digit): Chữ số thứ hai
• (Tolerance): Dung sai
• (No Color): Không màu
• (Voltage): Điện áp
• (Capacitance Value): Giá trị điện dung
• (Tubular Paper): Tụ điện giấy ống
• (Voltage Rating): Điện áp định mức
• (Temperature Characteristic): Hệ số nhiệt độ
• (Decimal Multiplier): Hệ số nhân thập phân
• (Mil-C-5A-Black (Military Type)): Mil-C-5A – Màu đen (Loại quân sự)
• (Retma-White (Commercial Type)): Retma – Màu trắng (Loại thương mại)

~0~

Tụ điện gốm thường được mã hóa bằng các vòng màu. Đôi khi, các tụ gốm nhỏ có thể sử dụng chấm màu thay cho vòng màu.

Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của tụ gốm. Trong một số loại tụ gốm hình ống, vòng màu thể hiện hệ số nhiệt độ thường rộng hơn các vòng màu khác. Vòng màu này có thể nằm ở vị trí cuối cùng hoặc đôi khi bị bỏ qua. Nếu không có vòng màu dung sai, ta hiểu ngầm dung sai là ±20%.

Hệ số nhiệt độ cho biết sự thay đổi nhiệt độ tính bằng phần triệu sẽ diễn ra cho mỗi độ thay đổi nhiệt độ hoạt động trên mức danh nghĩa 20 độ C. Dấu trừ có nghĩa là điện dung sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, trong khi dấu cộng có nghĩa là ngược lại.

Hằng Số Thời Gian Điện Dung【Capacitive Time Constant】

Khi đặt một điện áp vào mạch điện có chứa tụ điện, điện áp trên tụ điện sẽ không tăng lên ngay lập tức bằng điện áp đặt vào mà cần một khoảng thời gian để nạp đầy. Thời gian nạp đầy này phụ thuộc vào cả điện trở và điện dung của mạch.

Ta có thể hình dung điện trở như một van nước, còn tụ điện như một bể chứa. Khi ta mở van (đóng mạch), nước sẽ chảy từ từ vào bể chứa (tụ điện) cho đến khi đầy. Điện trở càng lớn thì dòng điện càng nhỏ, tương tự như van nước càng nhỏ thì nước chảy càng chậm.

Hằng số thời gian (RC) của mạch là tích số của điện trở (R) và điện dung (C). Hằng số thời gian này cho biết thời gian cần thiết để điện áp trên tụ điện đạt 63.2% giá trị tối đa.

Tương tự, hằng số thời gian RC cũng bằng với thời gian để tụ điện phóng 63.2% điện tích khi phóng điện.

Ta có thể sử dụng các đường cong tương tự như trong mạch điện cảm để tính toán phần trăm điện tích của tụ điện sau nhiều hằng số thời gian. Ví dụ, sau hai hằng số thời gian, điện áp trên tụ điện sẽ đạt 86.4% giá trị tối đa.

Dòng Điện Nạp và Phóng Của Tụ Điện【Capacitance-Charging and Discharging Currents】

Từ định nghĩa về điện dung, ta có thể tính toán lượng điện tích nạp vào hoặc phóng ra khỏi tụ điện dựa vào dòng điện và thời gian. Như ta đã biết, fara được định nghĩa là điện dung cần thiết để tạo ra hiệu điện thế 1V khi có dòng điện 1A chạy qua trong 1 giây. Dựa vào đó, ta có thể tính toán điện tích của một tụ điện bất kỳ theo công thức:

trong đó:

• ΔE là hiệu điện thế trên tụ điện sau khi nạp/phóng, tính bằng vôn (V)
• C là điện dung của tụ điện, tính bằng fara (F)
• I là dòng điện chạy qua tụ điện, tính bằng ampe (A)
• T là thời gian dòng điện chạy qua tụ điện, tính bằng giây (s)

Ví dụ, khi nạp một tụ điện 1 µF với dòng điện 0,1A trong 1 mili giây (1/1000 giây), hiệu điện thế trên tụ điện có thể được tính như sau:

Sử dụng công thức tương tự, ta có thể tính được rằng: Khi phóng điện từ một tụ điện đã tích điện với dòng điện 0,1A trong 1 mili giây, điện áp trên tụ điện sẽ giảm đi 100V.

Điện Dung Trong Mạch Điện Xoay Chiều【Capacitance in AC Circuits】

Tụ điện chặn dòng điện một chiều (DC) nhưng lại cho phép dòng điện xoay chiều (AC) chạy qua. Để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động này, ta hãy xét một mạch điện một chiều có sử dụng một công tắc hai cực, hai chiều (double-pole, double-throw switch) và một pin khô. Công tắc này cho phép đảo chiều điện áp đặt vào tụ điện mỗi khi đóng mạch.

Khi đóng công tắc lần đầu tiên, tụ điện được nạp điện. Mỗi bản cực của tụ điện sẽ tích điện cùng dấu với cực của pin mà nó được kết nối.

Chú Thích

• (SWITCH CLOSED Capacitor charges): Đóng công tắc tụ điện tích điện
• (Đảo chiều công tắc): Đảo chiều công tắc

Khi mở công tắc, tụ điện vẫn giữ nguyên điện tích trên hai bản cực, và điện áp trên tụ điện bằng với điện áp pin.

~0~

Nếu đóng công tắc lại ở vị trí ban đầu, sẽ không có dòng điện chạy qua mạch vì tụ điện đã được nạp đầy ở đúng cực tính. Tuy nhiên, nếu ta đảo chiều công tắc, các bản cực của tụ điện sẽ được kết nối với cực pin có điện tích trái dấu với điện tích đang có trên bản cực.

Lúc này, bản cực mang điện tích dương sẽ được nối với cực âm của pin. Bản cực này sẽ nhận electron từ pin, ban đầu là để trung hòa điện tích dương, sau đó tiếp tục nhận electron đến khi điện áp trên bản cực bằng và cùng dấu với điện áp của cực pin. Tương tự, bản cực mang điện tích âm sẽ nhường electron cho pin cho đến khi điện áp trên bản cực bằng và cùng dấu với điện áp của cực pin mà nó được kết nối.

Chú Thích

• (SWITCH REVERSED Capacitor discharges): đảo chiều công tắc – tụ điện phóng điện
• (Capacitor discharges): Tụ điện phóng điện
• (and then charges with reversed polarity): và sau đó tích điện với cực tính ngược lại

~0~

Nếu ta nối một ampe kế có khả năng đo dòng điện theo cả hai chiều vào mạch, ngay sát một trong hai bản cực của tụ điện, ta sẽ thấy dòng điện chỉ chạy trong một khoảng thời gian rất ngắn mỗi khi bản cực được nạp điện.

Lần đầu tiên đóng công tắc, ampe kế sẽ chỉ ra dòng điện chạy theo hướng nạp điện ban đầu. Sau đó, khi đảo chiều cực tính của nguồn điện, ampe kế sẽ chỉ ra dòng điện chạy theo hướng ngược lại. Điều này xảy ra vì bản cực đầu tiên bị phóng điện, rồi lại được nạp điện với cực tính ngược lại.

Như vậy, ampe kế chỉ cho thấy dòng điện chạy trong một khoảnh khắc ngắn mỗi khi ta đảo chiều cực tính của nguồn điện. Khi tụ điện đã nạp đầy, ampe kế sẽ không còn chỉ dòng điện chạy qua nữa.

Giả sử bạn đảo chiều cực tính của pin đủ nhanh để ngay khi tụ điện tích điện theo một chiều, cực tính của pin lại bị đảo ngược. Lúc này, kim đồng hồ của ampe kế sẽ di chuyển liên tục, lúc chỉ dòng điện chạy theo một chiều, lúc lại chỉ dòng điện chạy theo chiều ngược lại.

Mặc dù không có electron nào di chuyển trực tiếp qua không khí giữa hai bản cực, ampe kế vẫn cho thấy dòng điện liên tục chạy vào và ra khỏi hai bản cực của tụ điện.

~0~

Nếu thay thế pin một chiều và công tắc đảo chiều bằng một nguồn điện xoay chiều (AC), cực tính của nguồn điện sẽ thay đổi liên tục ở mỗi nửa chu kỳ. Nếu tần số của dòng điện xoay chiều đủ thấp, ampe kế sẽ hiển thị dòng điện chạy theo cả hai chiều, thay đổi theo mỗi nửa chu kỳ khi cực tính của dòng điện xoay chiều đảo chiều.

Tần số dòng điện tiêu chuẩn ở Bắc Mỹ là 60Hz. Do đó, một ampe kế trung tâm bằng 0 sẽ không thể hiển thị dòng điện do tốc độ thay đổi cực tính quá nhanh. Tuy nhiên, nếu sử dụng ampe kế xoay chiều, nó sẽ hiển thị dòng điện liên tục khi nguồn điện xoay chiều được sử dụng, cho thấy dòng điện xoay chiều đang chảy trong mạch.

Điều này cho thấy dòng điện xoay chiều thực chất là dòng điện liên tục nạp và phóng điện cho hai bản cực của tụ điện. Lưu ý rằng không có electron nào di chuyển trực tiếp giữa hai bản cực của tụ điện. Tụ điện được xem như cho phép dòng điện xoay chiều đi qua bởi vì dòng điện chạy liên tục trong toàn bộ mạch điện, ngoại trừ lớp cách điện giữa hai bản cực của tụ điện.

Chú Thích

• (AC CURRENT in a capacitive circuit): Dòng điện xoay chiều trong mạch có tụ điện
• (Charge and discharge current): Dòng điện nạp và phóng
• (Charge and discharge currents cause a deflection on the AC ammeter): Dòng điện nạp và phóng khiến kim ampe kế xoay chiều lệch
• (CHARGE AND DISCHARGE CURRENTS ARE CONTINUOUS SINCE THE AC VOLTAGE REVERSES POLARITY CONTINUALLY): Dòng điện nạp và phóng diễn ra liên tục do điện áp xoay chiều liên tục đảo chiều cực tính

~0~

Điện kháng dung (dung kháng | Capacitive reactance) là khả năng của tụ điện cản trở sự thay đổi điện áp trong mạch điện.

• Khi sử dụng nguồn điện một chiều (DC), dòng điện chỉ chạy để nạp hoặc phóng điện cho tụ. Do dòng điện không chạy liên tục, điện kháng dung đối với dòng điện một chiều được coi là vô cùng lớn.
• Khi sử dụng nguồn điện xoay chiều (AC), điện áp liên tục thay đổi theo thời gian. Điều này khiến tụ điện liên tục được nạp và phóng điện, tạo ra dòng điện liên tục chạy qua mạch. Do đó, điện kháng dung đối với dòng điện xoay chiều có giá trị hữu hạn.

Dòng điện nạp và phóng của tụ điện đạt giá trị cực đại ở thời điểm bắt đầu nạp/phóng và giảm dần về 0 khi tụ điện đầy hoặc hết điện.

• Khi nạp điện, dòng điện nạp lúc đầu rất lớn vì bản cực chưa tích điện. Tuy nhiên, khi bản cực tích điện dần, dòng điện nạp giảm dần do sự cản trở của điện tích trên bản cực.
• Khi phóng điện, dòng điện phóng điện lúc đầu rất lớn vì điện áp trên tụ điện cao. Khi tụ điện phóng điện dần, điện áp giảm dần, dẫn đến dòng điện phóng cũng giảm dần.

Nhìn chung, tốc độ nạp và phóng điện của tụ điện càng nhanh thì dòng điện trung bình càng lớn.

~0~

Dòng điện chạy trong mạch xoay chiều phụ thuộc vào tần số của điện áp xoay chiều và điện dung của tụ điện.

• Tần số cao: Dòng điện chạy trong mạch sẽ lớn hơn khi tần số của điện áp xoay chiều cao. Điều này là do dòng điện nạp vào tụ điện sẽ bị đảo chiều trước khi nó kịp giảm xuống giá trị thấp.
• Tần số thấp: Dòng điện chạy trong mạch sẽ nhỏ hơn khi tần số của điện áp xoay chiều thấp. Do dòng điện nạp vào tụ điện sẽ giảm xuống giá trị thấp hơn trước khi cực tính đảo chiều, dẫn đến giá trị trung bình của dòng điện chạy trong mạch nhỏ hơn.

Chú Thích

• (HOW Frequency AFFECTS THE FLOW OF AC CURRENT THROUGH A CAPACITOR): Tần số ảnh hưởng như thế nào đến dòng điện xoay chiều chạy qua tụ điện
• (Average current for a half cycle): Dòng điện trung bình trong nửa chu kỳ
• (Current flow reverses): Dòng điện đổi chiều
• (Normal current for constant voltage): Dòng điện ổn định khi điện áp không đổi
• (HIGH FREQUENCY): Tần số cao
• (Source voltage): Điện áp nguồn
• (Average current for a half cycle): Dòng điện trung bình trong nửa chu kỳ
• (Current flow reverses): Dòng điện đổi chiều
• (LOW FREQUENCY): Tần số thấp
• (THE LOWER THE FREQUENCY, THE LOWER THE AVERAGE CURRENT): Tần số càng thấp, dòng điện trung bình càng nhỏ

Điện Kháng Của Tụ Điện Trong Mạch Xoay Chiều (AC)【Capacitive Reactance in AC Circuits】

Khi so sánh dòng điện nạp của các tụ điện có dung lượng khác nhau, ta thấy rằng tụ điện có dung lượng lớn hơn sẽ giữ dòng điện ở mức cao trong thời gian dài hơn.

Điều này có nghĩa là: Với cùng tần số dòng điện, dòng điện trung bình chạy qua tụ điện lớn hơn sẽ lớn hơn dòng điện chạy qua tụ điện nhỏ hơn.

Tuy nhiên, điều này chỉ đúng khi điện trở trong mạch là như nhau. Bởi vì, tốc độ nạp của tụ điện phụ thuộc vào hằng số thời gian RC của mạch, bao gồm cả điện trở và điện dung.

Chú Thích

• (HOW CAPACITANCE VALUES AFFECT CAPACITIVE Reactance): Giá Trị Điện Dung Ảnh Hưởng Như Thế Nào Đến Điện Kháng Dung
• (Average current): Dòng điện trung bình
• (Current flow for constant voltage): Dòng điện ổn định khi điện áp không đổi
• (SMALL CAPACITANCE): Tụ điện có dung lượng nhỏ
• (Low average current high reactance): Dòng điện trung bình thấp, điện kháng cao
• (LARGE CAPACITANCE): Tụ điện có dung lượng lớn
• (High average current low reactance): Dòng điện trung bình cao, điện kháng thấp
• (The smaller the capacitance- the lower the average current): Dung lượng tụ điện càng nhỏ, dòng điện trung bình càng thấp

Giả sử điện trở trong mạch không thay đổi, dòng điện chạy qua mạch chứa tụ điện sẽ tăng khi tần số hoặc điện dung tăng lên. Điều này có nghĩa là điện kháng dung (là khả năng cản trở dòng điện chạy qua tụ điện) sẽ giảm khi tần số hoặc điện dung tăng. Công thức tính điện kháng dung là:

Trong công thức này:

• Xc là điện kháng dung, đơn vị đo là ohm (Ω)
• f là tần số, đơn vị đo là hertz (Hz)
• C là điện dung, đơn vị đo là fara (F)
• 2π là một hằng số có giá trị xấp xỉ 6,28

Lưu ý: Điện kháng dung (Xc) được đo bằng đơn vị ohm (Ω) tương tự như điện trở (R) và điện kháng cảm (XL).

Ví dụ: Ta có thể tính điện kháng của một tụ điện có dung lượng 1 µF ở tần số 60 Hz như sau:

Mối Quan Hệ Pha Trong Mạch Có Tụ Điện【Phase Relationship in Capacitive Circuits】

Trong mạch điện chỉ chứa tụ điện, dòng điện và điện áp có mối quan hệ pha ngược với mạch điện chỉ chứa cuộn cảm.

• Mạch thuần cảm: Dòng điện trễ pha 90 độ so với điện áp.

• Mạch thuần dung: Dòng điện sớm pha 90 độ so với điện áp.

Hãy tưởng tượng một mạch điện lý tưởng chỉ có tụ điện. Điện áp trên tụ điện sẽ chỉ xuất hiện sau khi dòng điện chạy qua để nạp điện cho tụ.

• Khi tụ điện bắt đầu tích điện, điện áp trên hai bản cực của tụ bằng 0, và dòng điện đạt giá trị cực đại.

• Khi tụ điện tích điện, dòng điện giảm dần về 0 và điện áp tăng dần đến giá trị cực đại.

• Khi tụ điện nạp đầy, dòng điện bằng 0 và điện áp đạt giá trị cực đại.

• Khi tụ điện phóng điện, dòng điện sẽ tăng từ 0 lên mức cực đại theo chiều ngược lại, đồng thời điện áp giảm từ mức cực đại về 0.

Nhìn chung, trong mạch chứa tụ điện, dòng điện luôn sớm pha 90 độ so với điện áp. Hay nói cách khác, điện áp trễ pha 90 độ so với dòng điện.

Chú Thích

• (CURRENT LEADS THE VOLTAGE IN A…): Dòng điện sớm pha hơn điện áp trong mạch…
• (With a pure capacitance the current leads. the voltage by 90 deg): Trong mạch điện chỉ chứa tụ điện, dòng điện sớm pha 90 độ so với điện áp
• (The current wave crosses zero, 90 deg before the voltage wave): Sóng dòng điện đạt giá trị 0 sớm hơn sóng điện áp 90 độ
• (CAPACITIVE CIRCUIT): Mạch có tụ điện

~0~

Điện trở ảnh hưởng đến mạch chứa tụ điện tương tự như cách nó ảnh hưởng đến mạch chứa cuộn cảm.

• Trong mạch chứa cả cuộn cảm và điện trở, dòng điện sẽ trễ pha so với điện áp một góc từ 0 đến 90 độ, tùy thuộc vào tỷ lệ giữa điện kháng cảm và điện trở.
• Trong mạch chỉ chứa tụ điện, dòng điện sớm pha 90 độ so với điện áp. Tuy nhiên, khi cả điện trở và tụ điện cùng tồn tại trong mạch, góc sớm pha sẽ giảm xuống, tùy thuộc vào tỷ lệ giữa điện kháng dung và điện trở.

Ví dụ, nếu điện kháng dung và điện trở bằng nhau, chúng sẽ có tác động tương đương lên góc sớm pha, khiến góc pha bằng 45 độ. Như vậy, dòng điện sẽ sớm pha 45 độ so với điện áp.

Chú Thích

• (CAPACITIVE CIRCUIT PHASE ANGLE DEPENDS ON BOTH CAPACITANCE AND RESISTANCE): Góc pha trong mạch chứa tụ điện phụ thuộc vào cả điện dung và điện trở
• (Pure resistance): Điện trở thuần
• (Current and voltage in phase): Dòng điện và điện áp cùng pha
• (Pure capacitance): Mạch thuần dung
• (Current leads voltage by 90): Dòng điện sớm pha 90 độ so với điện áp
• (Capacitance and resistance): Điện dung và điện trở
• (Current leads by 45 deg): Dòng điện sớm pha 45 độ

Công Suất Trong Mạch Chứa Tụ Điện【Power in a Capacitive Circuit】

Công suất trong mạch điện chứa tụ điện tương tự như trong mạch điện chứa cuộn cảm.

• Công suất thực: Công suất thực tế được sử dụng trong mạch luôn nhỏ hơn công suất biểu kiến.
• Mối quan hệ pha: Trong mạch điện chứa tụ điện, dòng điện sớm pha so với điện áp.
• Sóng công suất: Sóng công suất trong mạch điện chứa tụ điện thuần có tần số gấp đôi tần số của điện áp và dòng điện, và góc pha giữa dòng điện và điện áp là 90 độ.
• Công suất thực bằng 0: Do công suất dương và công suất âm bằng nhau, công suất thực của mạch điện thuần dung bằng 0.

Công thức tính hệ số công suất trong mạch điện chứa tụ điện giống với công thức trong mạch điện chứa cuộn cảm. Trong mạch điện thuần dung, công suất thực cũng bằng 0.

Khi thêm điện trở vào mạch chứa tụ điện, góc pha giữa dòng điện và điện áp sẽ giảm đi, và công suất dương sẽ lớn hơn công suất âm. Vì điện áp và dòng điện lệch pha, nên công suất tính bằng watt (W) không bằng công suất biểu kiến, và hệ số công suất sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến 100% (giống như trong mạch điện cảm – điện trở).

Chú Thích

• (POWER WAVE OF A CIRCUIT CONTAINING ONLY CAPACITANCE): Sóng công suất của mạch chỉ chứa tụ điện
• (Phase angle 90° leading): Góc sớm pha 90 độ
• (Positive power): Công suất dương
• (Negative power): Công suất âm
• (True power is zero): Công suất thực bằng 0
• (Adding resistance decreases phase angle-increases true power): Thêm điện trở sẽ làm giảm góc lệch pha và tăng công suất thực
• (Apparent power): Công suất biểu kiến
• (True power-power-wave axis): Công suất thực – trục sóng công suất

Thí Nghiệm/Ứng Dụng-Dòng Điện Trong Mạch DC Chứa Tụ Điện【Experiment/Application-Current Flow in a DC Capacitive Circuit】

Trong một mạch điện chỉ chứa tụ điện, quá trình nạp và phóng điện diễn ra rất nhanh. Để quan sát dòng điện trong mạch trong quá trình này, ta có thể thực hiện thí nghiệm như sau:

1. Kết nối hai pin 45V với nhau để tạo thành một pin 90V.
2. Nối hai đầu của pin vào hai đầu của một công tắc hai cực, hai chiều.
3. Với công tắc mở, hãy nối tiếp ampe kế (0-1 miliampe), tụ điện (1 microfarad), và điện trở vào công tắc.
4. Nối hai đầu còn lại của mạch bằng một đoạn dây.
5. Điện trở 91.000 ohm có tác dụng hạn chế dòng điện lớn, tránh làm hỏng ampe kế.

Khi bạn chuyển công tắc về vị trí nối tắt, bạn sẽ thấy không có dòng điện chạy qua vì tụ điện chưa được nạp điện. Sau đó, khi bạn chuyển công tắc về phía pin, ampe kế sẽ chỉ ra một dòng điện trong một thời gian ngắn. Sau đó, kim đồng hồ sẽ nhanh chóng trở về vị trí 0 khi tụ điện được nạp đầy.

Chú Thích

• (OBSERVING THE DC CHARGING CURRENT OF A CAPACITOR): Quan sát dòng điện sạc một chiều của tụ điện
• (Switch is thrown): Công tắc được đóng
• (Shorted Terminals): Nối tắt hai đầu cực
• (Pointer moves momentarily): Kim đồng hồ lệch trong chốc lát

~0~

Nếu bạn sau đó mở công tắc và chuyển nó về phía các đầu cực nối tắt, kim đồng hồ đo cho thấy một dòng điện tức thời chảy theo hướng ngược lại với hướng khi đóng công tắc, cho biết tụ điện đang phóng điện.

Sau đó, bạn có thể nạp điện cho tụ điện như trước, và bạn sẽ nhận thấy dòng điện tức thời. Nếu bạn sau đó mở công tắc và trả về vị trí ban đầu, bạn sẽ không nhận thấy dòng điện nào chảy qua, vì tụ điện đã được tích điện. Khi bạn di chuyển công tắc về phía các đầu cực nối tắt, dòng điện lại chảy theo hướng ngược lại, cho thấy tụ điện đang phóng điện.

~0~

Tiếp theo, hãy kết nối pin, tụ điện và công tắc theo cách nối tiếp. Đóng công tắc để nạp điện cho tụ. Sau đó, mở công tắc và dùng lưỡi tua vít để nối tắt hai đầu cực của tụ điện. Lưu ý chỉ cầm vào phần cách điện của tua vít.

Chú ý: Không bao giờ xả tụ điện khi nó đang kết nối với điện áp mạch, cho dù nguồn điện là pin hay đường dây điện xoay chiều

Bạn sẽ thấy tia lửa điện mạnh khi phóng điện cho tụ điện. Nếu bạn chạm tay vào hai đầu cực của tụ điện để phóng điện, bạn sẽ bị giật điện. Mặc dù cú giật điện này không nguy hiểm, nhưng nó có thể khiến bạn giật mình và gây ra tai nạn nghiêm trọng.

Chú Thích

• (Discharging A CHARGED CAPACITOR): Phóng điện cho tụ điện đã tích điện
• (Charging the Capacitor): Nạp điện cho tụ điện
• (Discharging the Capacitor): Phóng điện cho tụ điện
• (Insulated handle): Tay cầm cách điện

Bạn sẽ thấy tia lửa điện có cường độ như nhau mỗi khi bạn nạp và phóng điện cho tụ điện. Điều này cho thấy rằng khi ngắt nguồn điện, tụ điện vẫn giữ được điện tích tối đa.

Thí Nghiệm/Ứng Dụng – Hằng Số Thời Gian RC【Experiment/Application-RC Time Constant】

Trong mạch điện RC, điện trở giới hạn dòng điện nạp cho tụ điện, và điện áp trên tụ điện tăng dần với tốc độ phụ thuộc vào hằng số thời gian RC.

Nếu sử dụng đồng hồ đo điện áp để theo dõi sự thay đổi điện áp trên tụ điện trong quá trình nạp, hai bản cực của tụ điện sẽ được nối với nhau thông qua điện trở của đồng hồ đo. Điều này khiến tụ điện không thể nạp đầy. Hơn nữa, vì đồng hồ đo đã tạo thành một mạch kín với tụ điện, nên nó sẽ không thể hiển thị chính xác sự tăng điện áp trên tụ điện.

Để quan sát quá trình tích điện của tụ điện, ta cần sử dụng một thiết bị có thể đo điện áp mà không nối tắt hai bản cực của tụ. Bóng đèn neon là một lựa chọn phù hợp vì nó chỉ sáng khi điện áp giữa hai đầu cực của đèn đạt đến một giá trị nhất định.

Bóng đèn neon không phải là dụng cụ đo điện áp chính xác, cũng không thể hiển thị chính xác quá trình tăng điện áp trên tụ điện khi nạp điện. Tuy nhiên, nếu nối bóng đèn neon vào hai đầu tụ điện đang được nạp, ta sẽ thấy rằng điện áp trên tụ điện không tăng ngay lập tức mà có một khoảng thời gian trễ. Bóng đèn sẽ chỉ sáng khi điện áp trên tụ điện đạt đến điện áp khởi động của đèn.

~0~

Để minh họa cho việc sử dụng bóng đèn neon để quan sát sự trễ trong quá trình tăng điện áp trên tụ điện, ta có thể thực hiện thí nghiệm như sau:

1. Nối tiếp một tụ điện 1 microfara với một điện trở 2 megaohm.
2. Nối song song bóng đèn neon với tụ điện.
3. Nối đầu còn lại của điện trở với cực âm của pin 90V (tạo bằng cách nối tiếp hai pin 45V).

Khi đóng công tắc, sau một khoảng thời gian trễ ngắn, bóng đèn neon sẽ nhấp nháy. Điều này cho thấy điện áp trên tụ điện đã đạt đến điện áp khởi động của bóng đèn. Bóng đèn neon sẽ tiếp tục nhấp nháy đều đặn khoảng 1 giây một lần.

Mỗi khi điện áp trên tụ điện bằng với điện áp khởi động của bóng đèn neon, đèn sẽ sáng. Lúc này, dòng điện sẽ chạy qua bóng đèn neon và phóng điện tích đã được tích tụ trong tụ điện. Khi tụ điện phóng điện, điện áp trên tụ giảm xuống dưới mức điện áp khởi động của đèn, khiến đèn tắt và trở thành mạch hở. Tụ điện lại bắt đầu nạp điện. Quá trình này lặp lại liên tục, tạo ra hiện tượng nhấp nháy của bóng đèn neon.

Chú Thích

• (OBSERVING THE TIME DELAY OF AN RC CIRCUIT): Quan sát độ trễ thời gian của mạch RC
• (Lamp ceases to conduct before capacitor is fully discharged): Đèn tắt trước khi tụ điện phóng hết điện
• (Lamp lights–capacitor starts to discharge): Đèn sáng – tụ điện bắt đầu phóng điện
• (Time Delay): Độ trễ thời gian
• (Neon lamp starting voltage): Điện áp khởi động của đèn neon

~0~

Để xem xét ảnh hưởng của điện trở đến thời gian nạp điện của tụ điện, ta có thể thêm một số điện trở nối tiếp với điện trở 2 megaohm. Bạn sẽ thấy rằng khi điện trở tăng gấp đôi, thời gian nạp đầy tụ điện cũng tăng gấp đôi.

Như đã biết, hằng số thời gian RC cho biết thời gian cần thiết để điện áp trên tụ điện đạt 63,2% điện áp nguồn. Điện áp khởi động của bóng đèn neon nằm trong khoảng 65-70V, tương đương với khoảng 75% điện áp pin. Tuy nhiên, có sự khác biệt giữa thời gian tính toán theo lý thuyết và thời gian đo được thực tế.

Ví dụ, nếu điện trở của mạch là 4 megaohm, dựa theo hằng số thời gian RC, bóng đèn neon sẽ nhấp nháy 15 lần mỗi phút (4 MΩ x 1 µF = 4 giây). Tuy nhiên, thực tế bạn sẽ thấy bóng đèn nhấp nháy khoảng 30 lần mỗi phút. Điều này là do bóng đèn không sáng chính xác ở mức 63,2% điện tích và tụ điện không phóng hết điện mỗi khi bóng đèn sáng.

Hãy thử nghiệm với các giá trị điện trở khác nhau và so sánh thời gian để bóng đèn sáng với hằng số thời gian RC đã được tính toán.

~0~

điện. Bạn sẽ thấy rằng việc thay đổi giá trị điện dung cũng ảnh hưởng đến hằng số thời gian của mạch tương tự như việc thay đổi giá trị điện trở. Khi sử dụng tụ điện có dung lượng thấp, hằng số thời gian sẽ ngắn hơn và bóng đèn neon sẽ nhấp nháy với tần số cao đến mức ta có cảm giác đèn sáng liên tục chứ không phải nhấp nháy.

~0~

Ta có thể dễ dàng quan sát dòng điện chạy qua mạch khi nạp điện cho tụ điện qua điện trở. Kết nối một ampe kế (0-1 mA, kim chỉ thị ở giữa), một điện trở 200.000 Ω, và một tụ điện 4 µF nối tiếp với nhau như hình minh họa.

Ngay khi đóng công tắc, ampe kế sẽ chỉ một dòng điện lớn. Khi tụ điện nạp đầy, dòng điện giảm dần về 0 và đạt 0 sau khoảng 4 giây (tương đương 5 hằng số thời gian).

Lưu ý: Khi dòng điện đạt đến 0 (tụ điện được nạp đầy), việc đóng/mở công tắc sẽ không làm dòng điện thay đổi. Nếu bạn mở công tắc và phóng điện cho tụ điện bằng cách nối tắt hai cực, sau đó đóng công tắc lại, ampe kế sẽ lại chỉ ra dòng điện đang nạp vào tụ điện.

Chú Thích

• (OBSERVING THE CHARGING CURRENT OF A CAPACITOR): Quan sát dòng điện nạp của tụ điện
• (Charging Current): Dòng điện nạp

Bằng cách thử nghiệm với các tụ điện có dung lượng khác nhau, ta có thể thấy rằng tụ điện có dung lượng càng lớn thì thời gian nạp đầy càng lâu. Lưu ý: Khi sử dụng tụ điện có dung lượng nhỏ, thời gian nạp điện rất nhanh. Bạn sẽ khó quan sát được dòng điện trên ampe kế.

Thí Nghiệm/Ứng Dụng – Dòng Điện Chạy Trong Mạch Xoay Chiều Có Tụ Điện【Experiment/Application-Current Flow in an AC Capacitive Circuit】

Ta có thể chứng minh dòng điện xoay chiều chạy liên tục trong mạch điện chứa tụ điện bằng thí nghiệm sau:

1. Kết nối một dây của dây nguồn với một cực của tụ điện, thông qua công tắc và cầu chì.
2. Kết nối dây còn lại của dây nguồn với cực còn lại của tụ điện, thông qua ampe kế xoay chiều (0-50 mA).

Khi cắm mạch điện vào ổ cắm điện xoay chiều và đóng công tắc, bạn sẽ thấy ampe kế chỉ ra một dòng điện liên tục. Ta biết rằng điện kháng dung:

Nếu điện áp nguồn là 120V xoay chiều, dòng điện chạy qua mạch sẽ vào khoảng 45mA.

Khi đóng công tắc, ampe kế sẽ chỉ ra dòng điện xoay chiều khoảng 45mA chạy liên tục trong mạch. Dòng điện này xuất hiện do tụ điện liên tục được nạp và phóng điện khi điện áp xoay chiều đổi chiều.

Sau khi mở công tắc, bạn có thể dùng tua vít để nối tắt hai đầu cực của tụ điện. Bạn sẽ thấy rằng tụ điện vẫn giữ một lượng điện tích ngay cả khi đã ngắt nguồn điện. Tuy nhiên, nếu bạn thử bật và tắt nguồn điện nhiều lần liên tiếp, đồng thời phóng điện cho tụ mỗi lần, bạn sẽ thấy tia lửa điện thay đổi về cường độ và kích thước.

Điều này là do lượng điện tích còn lại trong tụ điện khi sử dụng trong mạch điện xoay chiều không cố định. Tùy thuộc vào thời điểm ngắt nguồn điện (khi tụ điện đang nạp, đang phóng, hoặc đã nạp đầy), lượng điện tích còn lại trong tụ điện sẽ khác nhau.

Để chứng minh rằng tụ điện chặn dòng điện một chiều (DC) nhưng lại cho phép dòng điện xoay chiều (AC) đi qua, ta có thể lắp mạch điện như hình.

• Khi sử dụng nguồn điện DC, bóng đèn sẽ không sáng và vôn kế DC sẽ hiển thị điện áp bằng 0.
• Khi sử dụng nguồn điện AC, bóng đèn sẽ sáng và vôn kế AC sẽ hiển thị một giá trị điện áp khác 0.

Thí Nghiệm/Ứng Dụng – Điện Kháng Của Tụ Điện【Experiment/Application-Capacitive Reactance】

Bạn đã biết rằng dòng điện xoay chiều (AC) có thể chạy qua mạch điện chứa tụ điện. Điện trở của mạch này đối với dòng điện xoay chiều phụ thuộc vào dung lượng của tụ điện, với điều kiện tần số dòng điện không đổi.

Để minh họa, hãy thử nghiệm như sau:

1. Kết nối một ampe kế xoay chiều (0-100 mA) với hai tụ điện giấy (1 µF và 0.5 µF) được mắc song song.
2. Sử dụng nguồn điện xoay chiều 120V để cấp điện cho mạch.
3. Đóng công tắc, bạn sẽ thấy ampe kế chỉ ra dòng điện đang chạy.

Để chứng minh sự ảnh hưởng của dung lượng tụ điện đến điện trở của mạch, hãy thay thế tụ điện 1.5 µF bằng tụ điện 1 µF, sau đó là tụ điện 0.5 µF. Mỗi lần thay đổi tụ điện, cần mở công tắc và dùng tua vít để phóng điện cho tụ điện trước khi thay. Bạn sẽ thấy rằng:

• Khi dung lượng tụ điện tăng lên, dòng điện trong mạch cũng tăng lên.
• Điều này cho thấy rằng điện trở của mạch (hay điện kháng dung) giảm đi khi dung lượng tụ điện tăng lên.

Tóm Tắt Đánh Giá Lại Về Tụ Điện và Điện Dung【Review of Capacitors and Capacitance】

1. Điện dung (CAPACITANCE) – Thuộc tính của một mạch điện chống lại mọi sự thay đổi điện áp trong mạch.
2. Tụ điện (CAPACITOR) – linh kiện điện tử được sử dụng để tạo ra điện dung trong mạch điện.
3. Nạp điện cho tụ điện (CAPACITOR CHARGE) – quá trình electron di chuyển vào một bản cực và di chuyển ra khỏi bản cực còn lại, khiến một bản cực tích điện âm và bản cực còn lại tích điện dương.
4. Phóng điện tụ điện (CAPACITOR DISCHARGE) – quá trình electron di chuyển từ bản cực âm của tụ điện đến bản cực dương, làm mất đi điện tích trên các bản cực.
5. Fara (FARAD) – Đơn vị cơ bản của điện dung, nơi 1 culông điện tích chạy qua trong 1 giây tạo ra hiệu điện thế 1 vôn.
6. Đơn vị đo điện dung thường dùng (PRACTICAL UNITS OF CAPACITANCE) – hai đơn vị đo điện dung thường gặp là microfara (µf) và picofara (pf).
7. Cấu tạo của tụ điện (CAPACITOR COMPONENTS) – gồm hai bản cực kim loại cách nhau bởi một lớp chất điện môi.
8. Yếu tố ảnh hưởng đến điện dung (FACTORS AFFECTING CAPACITANCE) – điện tích bản cực, khoảng cách giữa hai bản cực và loại chất điện môi quyết định đến điện dung của tụ điện.
9. Hằng số thời gian RC (CAPACITIVE TIME CONSTANT): tích của điện trở (R) và điện dung (C) cho biết thời gian (tính bằng giây) cần thiết để tụ điện nạp đến 63,2% điện tích đầy đủ hoặc phóng điện 63,2% từ trạng thái đã nạp đầy.để tụ điện nạp đến 63,2% điện tích đầy đủ hoặc phóng điện 63,2% từ trạng thái đã nạp đầy.
10. Điện kháng dung (CAPACITIVE REACTANCE) – khả năng của tụ điện thuần cản trở dòng điện xoay chiều và khiến dòng điện sớm pha 90 độ so với điện áp. Điện kháng dung được ký hiệu làX_c
    và được đo bằng đơn vị ohm (ω).
11. Công suất trong mạch thuần dung (POWER IN PURE CAPACITIVE CIRCUIT) – Trong mạch điện chỉ chứa tụ điện (thuần dung), công suất thực bằng 0, nhưng công suất biểu kiến bằng tích của điện áp (E) và dòng điện (I).