Làm thế nào một cửa hàng tụ điện có thể sạc trong khi cũng đi qua hiện tại?

Người ta thường nói rằng các cửa hàng tụ phí. Chỉ cần đọc qua Wikipedia , tôi thấy:

Daniel Gralath là người đầu tiên kết hợp nhiều lọ song song vào một "cục pin" để tăng khả năng lưu trữ sạc . Benjamin Franklin đã điều tra chiếc bình Leyden và đưa ra kết luận rằng điện tích được lưu trữ trên kính chứ không phải trong nước như những người khác đã giả định.

Do các dây dẫn (hoặc bản) gần nhau, nên các điện tích trái dấu trên dây dẫn hút nhau do điện trường của chúng, cho phép tụ điện tích điện nhiều hơn cho một điện áp nhất định so với khi các dây dẫn được tách ra, tạo cho tụ điện có điện dung lớn .

Ở đây Q là điện tích được lưu trong tụ điện

Điện tích được đo bằng coulomb và tôi biết từ định nghĩa điện dung rằng nếu tụ điện 1F có điện áp 1V thì 1C điện tích sẽ được lưu trong đó. Nếu một coulomb là 6.241 × 10 ¹⁸ electron, thì nên có 6.241 × 10 ¹⁸ electron trong tụ điện này ở đâu đó.

Nhưng bây giờ hãy xem xét điều này. Nếu tôi sử dụng tụ điện làm tải cho một số nguồn điện áp xoay chiều, một số dòng điện sẽ chảy (lượng chính xác tùy thuộc vào điện áp, tần số và điện dung):

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Tôi biết rằng dòng điện đang chảy xung quanh mạch này, bởi vì nếu tôi đặt một bóng đèn ở hai bên của tụ điện, nó sẽ sáng. Nhưng nếu dòng điện chạy quanh mạch này, làm thế nào để tụ điện "tích điện"? Nói cách khác, làm thế nào tôi có thể đặt electron vào tụ điện nếu dòng điện chạy quanh mạch, có nghĩa là cho tất cả các điện tử tôi đặt trong tụ điện, cùng một số đi ra phía bên kia? Nếu tôi không thể đặt electron vào mà không lấy ra, thì làm sao tụ có thể lưu trữ chúng?

Dễ thôi. Một tụ điện không lưu trữ phí, nó lưu trữ năng lượng . Điện tích ròng trong một tụ điện hoàn chỉnh (thay vì xem xét một tấm đơn hoặc chất cách điện) không bao giờ thay đổi. Sự gia tăng của điện tích âm trên một tấm được cân bằng chính xác bằng sự giảm điện tích âm trên tấm kia. Do đó, khi dòng điện đi vào một thiết bị đầu cuối, một dòng điện bằng nhau phải rời khỏi thiết bị đầu cuối khác.

Đây là loại phiên bản hoạt hình, nhưng nó hoạt động trong đầu tôi.

Có một khoảng cách cách điện trong tụ điện, vì vậy các electron riêng lẻ không thể đi từ đầu này sang đầu kia. Vì vậy, các electron đi vào không phải là cùng một phía phát ra phía bên kia! Thay vào đó, các electron đến "dừng lại" trên một tấm. Nhưng điện trường của electron đó đẩy một electron từ phía bên kia, đi ra khỏi tấm kia, cuối cùng cũng đến được nguồn. Chúng ta có một mạch hoàn chỉnh, nhưng các electron đang tích tụ trên một tấm và các lỗ đang tích tụ trên một tấm khác!

Bây giờ, có giới hạn về số lượng electron có thể tích tụ trên bản. Các electron đẩy nhau, vì vậy càng có nhiều, càng khó để một cái khác dính vào. Chúng ta cần một cái gì đó buộc họ phải ở trên đĩa cùng nhau. Đó là điện áp. Ngược lại, thực tế là các electron đang cố gắng đẩy nhau cũng là một điện áp, một lực cố gắng di chuyển các electron xung quanh một mạch.

Bây giờ, khi một electron tới gõ một cái rời khỏi tấm khác, electron đi ra có năng lượng ít hơn so với điện tử tới, nó làm giảm điện áp trên tụ điện tích điện.

Tất nhiên, các điện tử không giữ yên, ngay cả khi không có nơi nào để chúng đi trên quy mô vĩ mô. Tất cả họ đang đẩy lùi nhau, "bật" khỏi điện trường của nhau. Nếu các trường đó trở nên quá mạnh (điện áp quá cao), các tương tác có thể khiến một electron xuyên qua hàng rào điện môi giữa các bản. Khi điện áp trên các tấm quá cao, dòng rò của nắp sẽ tăng lên. Và nếu điều đó diễn ra quá lâu, chất điện môi sẽ bị hỏng và bạn không còn nắp rất tốt nữa.

Phí có thể có nghĩa là rất nhiều thứ. Chúng ta có thể nói về việc sạc một tụ điện bằng năng lượng, như chúng ta sạc bom hoặc thẻ tín dụng trả trước. Chúng ta cũng có thể mất khoảng điện tích , được đo bằng coulomb.

Khoảng 6.241 × 10 ¹⁸ electron thực sự tạo ra 1C điện tích. Tuy nhiên, khi mọi người nói về điện tích trong tụ điện , họ không nói về điện tử trong tụ điện, giống như người ta sẽ nói về cookie trong lọ cookie. Họ đang nói về một cái gì đó khác. Thật khó hiểu, nhưng dù sao đó cũng là những gì họ làm.

Những gì họ đang thực sự nói về là tích hợp của hiện tại. Đó là, dòng điện trung bình đang chảy, thời gian nó chảy trong bao lâu. Nếu dòng điện được đo bằng ampe và thời gian tính bằng giây, thì khi bạn lấy dòng điện và nhân nó theo thời gian, bạn sẽ có được một vật được đo bằng ampe-giây. Và, nếu bạn nhớ lại, một ampe có nghĩa là một coulomb mỗi giây. Như vậy:

Đó là, một ampere-giây là một coulomb. Tích phân của dòng điện là điện tích . Vì vậy, khi ai đó nói rằng một tụ điện đang "lưu trữ 1C điện tích", họ không có nghĩa là có 1C electron trong tụ điện, điều đó có nghĩa là 1C điện tích đã đi qua tụ điện. Các tụ điện đang "lưu trữ" lượng điện tích lớn đó theo nghĩa là bây giờ nó chứa đủ năng lượng để đẩy 1C điện tích trở lại theo cách khác.

Tốt hơn nên nghĩ về một tụ điện như một thiết bị lưu trữ năng lượng hơn là một thiết bị lưu trữ sạc. Khi dòng điện chạy vào một tụ điện, một điện áp tích lũy tại các cực. Điện áp này được phân tách bằng khoảng cách giữa các bản và do đó tạo ra một điện trường. Lĩnh vực này là nơi lưu trữ năng lượng. Mặt khác, cuộn cảm, lưu trữ năng lượng với từ trường.

Khi dòng điện chạy, các điện tích trái dấu tích lũy trên mỗi bản đối diện của tụ điện. Các electron đang cố gắng đi xung quanh mạch, nhưng chúng bị dừng lại ở bản của tụ điện, để lại một điện tích âm ở một bên và một điện tích dương ở phía bên kia. Độ lớn của mỗi điện tích có thể được mô tả bằng phương trình:

C = Q / V

Dòng điện sẽ tiếp tục chảy và điện tích sẽ tiếp tục tích lũy cho đến khi mạch với tụ điện ổn định. Ví dụ, nếu mạch chỉ đơn giản là pin, điện trở và tụ điện nối tiếp, dòng điện sẽ tiếp tục chảy cho đến khi điện áp tụ bằng điện áp pin. Do đó, trong mạch điện một chiều ổn định, trong đó không có dòng điện thay đổi, tụ điện xuất hiện dưới dạng mạch mở với điện tích tích lũy tỷ lệ với điện áp trên các cực và điện dung.

Tuy nhiên, đối với bất kỳ mạch nào không phải là DC, cách tốt hơn để mô tả hành vi của tụ điện là:

I = C * (dV / dt)

Do đó, nếu bạn có nguồn điện áp sóng hình sin, dòng điện "qua" tụ điện luôn thay đổi và điện tích tích lũy không bao giờ ổn định. Hãy tưởng tượng lật một nửa chai nước đầy qua lại. Nước không chảy liên tục như dòng điện trong mạch DC, nhưng nó vẫn đang hoạt động. Nếu bạn có một số thiết bị tuabin kỳ quái trong chai nước, nó sẽ liên tục quay, chỉ dừng lại để đổi hướng khi chai bị lật theo cách khác.

Cuối cùng, trong một mạch điện một chiều, các điện tích bằng nhau và ngược chiều được lưu trữ trên mỗi tấm bên của tụ điện. Các tụ điện không lưu trữ điện tử ở tất cả. Nó lưu một khoản phí. Các electron từ một phía di chuyển khắp mạch điện sang phía bên kia như bị kích thích bởi sự chênh lệch điện áp bên ngoài. Kết quả là một sự tập trung của các điện tử ở một bên và sự vắng mặt ở phía bên kia, một điện tích. Trong một mạch điện xoay chiều, hiện tượng tương tự này xảy ra, nhưng luôn thay đổi. Ngay khi điện áp cung cấp thay đổi, các electron không bị thu hút vào các tấm theo cùng một cách và bắt đầu huy động. Nếu các electron này tình cờ đi qua một tải, như bóng đèn, trên đường đi, chúng sẽ hoạt động và bóng đèn sẽ bật. Vì vậy, dòng điện không thực sự chảy xung quanh mạch. Nó chỉ đơn giản là trượt qua lại như nước trong chai. Tuy nhiên, tất cả những gì nó cần để thắp sáng bóng đèn là các electron chuyển động. Bóng đèn không quan tâm đến cách chúng di chuyển và mắt bạn không thể nhận ra sự thay đổi hướng miễn là tốc độ chuyển đổi đủ nhanh.

Tôi cũng muốn lưu ý rằng chúng ta đang nói về tụ điện lý tưởng. Trong thực tế, ở tần số đủ cao, các tụ điện sẽ trông giống như cuộn cảm (V = L * (di / dt)).

Biên tập:

Để trả lời câu hỏi cụ thể: Điện tích được tích trữ trong tụ điện ở đâu?

Trong một tụ điện hoàn chỉnh, không có phí ròng được lưu trữ. Tuy nhiên, sử dụng mô hình tấm song song , các điện tích Q bằng nhau và ngược chiều có độ lớn Q được đặt trên mỗi tấm. Khi một điện áp bên ngoài được đặt vào một tụ điện, các electron chạy ra khỏi bản có điện thế cao hơn và bị hút vào bản có điện thế thấp hơn. Các electron tích lũy này tạo thành một điện tích âm trên bản đó và sự vắng mặt của các electron từ bản khác tạo thành một điện tích dương. Độ lớn thực tế của mỗi, tổng điện tích Q được xác định bởi điện áp V và điện dung C.