Năng lượng của tụ điện tích điện, công dụng của tụ điện

Kim loại là chất dẫn điện tuyệt vời. Chúng dẫn điện vì chúng có các hạt tải điện tự do không mang điện. Và nếu một sự khác biệt tiềm năng được tạo ra ở hai đầu, ví dụ, của một dây đồng với sự trợ giúp của một nguồn EMF không đổi, thì một dòng điện sẽ phát sinh trong một dây như vậy - các electron sẽ chuyển tiếp từ cực âm của EMF nguồn - đến thiết bị đầu cuối tích cực của nó.

Ngược lại, chất điện môi không phải là chất dẫn điện, vì không có hạt mang điện tự do nào trong chúng. Các hạt mang điện tích dương và âm trong chất điện môi được liên kết với nhau và tạo thành cái gọi là lưỡng cực điện, trong điện trường ngoài chỉ có thể quay chứ không thể chuyển động tịnh tiến dưới tác dụng của điện trường.

Thêm về điều này: Sự khác biệt giữa kim loại và điện môi, Và Tại sao chất điện môi không dẫn điện

Lấy ví dụ, một miếng điện môi ở dạng ống PVC (polyvinyl clorua là chất điện môi).Che bề mặt bên ngoài của ống bằng màng bám và chỉ cần gói trong giấy bạc nhàu nát hơn bên trong để nó chạm vào các thành bên trong của ống xung quanh.

Nếu bây giờ chúng ta lấy nguồn EMF, giả sử ắc quy 24 vôn và kết nối nó với cực âm với lá bên trong và cực dương với bên ngoài, sau đó cả hai phần của lá sẽ nhận được điện tích khác dấu từ pin và một điện trường hướng từ bên ngoài vào bên trong sẽ hành động trong toàn bộ khối lượng của bức tường ống PVC.

Do đó, trong điện trường này, các phân tử điện môi (PVC) sẽ quay, định hướng theo điện trường ngoài — điện môi bị phân cực sao cho các phân tử cấu thành của nó lần lượt quay các mặt âm của chúng ra ngoài — tương ứng, với điện cực dương (với lá kim loại nối với pin cộng), với các mặt dương của chúng — vào trong, với điện cực âm. Hãy tháo pin ra.

Điện tích dương vẫn còn ở lớp lá bên ngoài, vì nó vẫn được giữ bởi các mặt tích điện âm của các phân tử PVC hướng ra ngoài và điện tích âm ở bên trong, vì nó được giữ bởi các mặt tích cực của các phân tử điện môi, đã quay hướng vào trong. Mọi thứ xảy ra hoàn toàn phù hợp với định luật tĩnh điện.

Nếu bây giờ bạn đóng các phần bên ngoài và bên trong của lá kim loại bằng kìm, thì tại thời điểm đóng, bạn có thể nhận thấy một tia lửa nhỏ: các điện tích trái dấu từ các tấm hút nhau và tạo ra dòng điện qua dây (kẹp) và chất điện môi. trở về trạng thái trung hòa ban đầu.

Có thể nói rằng trong thiết bị này, bao gồm một ống điện môi và hai tấm lá, khi pin được kết nối với nó, sự tích tụ của Năng lượng điện.

Các thiết bị có cấu hình tương tự được gọi là - một chất điện môi được bao bọc giữa các tấm dẫn điện được cách ly với nhau tụ điện.

Nó là thú vị:Tụ điện và Pin - Đâu là sự khác biệt?

Trong lịch sử, nguyên mẫu tụ điện đầu tiên, Leiden Bank, được phát minh vào năm 1745 tại Leiden bởi nhà vật lý người Đức Ewald Jürgen von Kleist và độc lập bởi nhà vật lý người Hà Lan Peter van Muschenbrück.

Năng lượng của một tụ điện tích điện phụ thuộc vào điện áp (hiệu điện thế giữa các bản) mà nó được tích điện, vì chúng ta đang nói về thế năng của các điện tích trái dấu trên các bản cách xa nhau.

Do đó, năng lượng này bằng với công mà điện trường của các điện tích này sẽ thực hiện khi chúng hút nhau (hoặc nguồn đã thực hiện khi chúng bị tách ra trong quá trình nạp điện cho tụ điện). Công cơ bản để di chuyển một phần sơ cấp của điện tích từ tấm này sang tấm khác bằng:

Các tụ điện có cấu hình khác nhau khi được nạp cùng một lượng điện tích sẽ có sự chênh lệch điện thế khác nhau giữa các bản cực. Cũng có thể nói rằng đối với các tụ điện khác nhau, điện áp đặt vào các bản cực khác nhau sẽ dẫn đến điện tích khác nhau về lượng.

Trong thực tế, điều này có nghĩa là mỗi tụ điện có một giá trị hằng số nhất định, một đặc tính đặc trưng cho tụ điện cụ thể đó, liên quan đến cấu hình của nó, hình dạng của các bản cực, hằng số điện môi của chất điện môi, v.v. Tham số này được gọi là công suất điện C. Điện tích trên một tụ điện q liên hệ với hiệu điện thế giữa các bản U của nó như sau:

Do đó, biểu thức cho tổng năng lượng của tụ điện tích điện, sau khi được tích hợp, có thể được viết như sau:

Ngày nay, tụ điện được sử dụng trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau: làm thiết bị lưu trữ năng lượng điện, làm bộ lọc để làm mịn sóng trong nguồn điện, trong mạch điều khiển RC của thiết bị điện tử, trong thiết bị bù công suất phản kháng, trong lắp đặt cảm ứng và thiết bị vô tuyến. của mạch dao động, trong máy phát xung mạnh, trong máy gia tốc điện từ, trong máy đo độ ẩm không khí, v.v.

Để biết thêm chi tiết xem tại đây:Tại sao tụ điện được sử dụng trong các mạch điện?