Tụ điện

Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui. Mặc dù các hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện. Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại. Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo ra electron – nó chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh. Đây là một ưu thế của nó so với ắc qui.

Tụ điện có ký hiệu là C viết tắt của Capacitior. Đơn vị của tụ điện là Fara (F), có trị số rất lớn và trong thực tế người ta thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như: 1µF=10-6 F; 1ηF=10-9 F; 1pF=10-12 F. Các kí hiệu thường thấy trong bảng mạch là:

Vào tháng 10 năm 1745, Ewald Georg von Kleist ở Pomerania nước Đức, phát hiện ra điện tích có thể được lưu trữ bằng cách nối máy phát tĩnh điện cao áp với một đoạn dây qua một bình thủy tinh chứa nước. Tay của Von Kleist và nước đóng vai trò là chất dẫn điện, và bình thủy tinh là chất cách điện (mặc dù các chi tiết ở thời điểm đó được xác nhận là miêu tả chưa đúng). Von Kleist phát hiện thấy khi chạm tay vào dây dẫn thì phát ra một tia lửa điện lớn và sau đó ông cảm thấy rất đau, đau hơn cả khi chạm tay vào máy phát tĩnh điện. Sau đó một năm, nhà vật lý người Hà Lan Pieter van Musschenbroek làm việc tại đại học Leiden, phát minh ra một bình tích điện tương tự, được đặt tên là bình Leyden.

Sau đó Daniel Gralath là người đầu tiên kết hợp nhiều bình tích điện song song với nhau thành một quả “pin” để tăng dung lượng lưu trữ. Benjamin Franklin điều tra chiếc bình Leyden và đi đến kết luận rằng điện tích đã được lưu trữ trên chiếc bình thủy tinh, không phải ở trong nước như những người khác đã giả định. Từ đó, thuật ngữ “battery” hay tiếng việt gọi là “pin” được thông qua. Sau đó, nước được thay bằng các dung dịch hóa điện, bên trong và bên ngoài bình layden được phủ bằng lá kim loại. Để lại một khoảng trống ở miệng để tránh tia lửa điện giữa các lá. Bình layden là bình tích điện đầu tiên có điện dung khoảng 1,11 nF (nano Fara).

Tụ điện gồm ít nhất hai dây dẫn điện thường ở dạng tấm kim loại. Hai bề mặt này được đặt song song với nhau và được ngăn cách bởi một lớp điện môi.

Điện môi sử dụng cho tụ điện là các chất không dẫn điện gồm thủy tinh, giấy, giấy tẩm hóa chất, gốm, mica, màng nhựa hoặc không khí. Các điện môi này không dẫn điện nhằm tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện.

Tùy thuộc vào chất liệu cách điện ở giữa bản cực thì tụ điện có tên gọi tương ứng. Ví dụ như nếu như lớp cách điện là không khí ta có tụ không khí, là giấy ta có tụ giấy, còn là gốm ta có tụ gốm và nếu là lớp hóa chất thì cho ta tụ hóa.

Nguyên lý phóng nạp của tụ điện được hiểu là khả năng tích trữ năng lượng điện như một ắc quy nhỏ dưới dạng năng lượng điện trường. Nó lưu trữ hiệu quả các electron và phóng ra các điện tích này để tạo ra dòng điện. Nhưng nó không có khả năng sinh ra các điện tích electron. Đây cũng là điểm khác biệt lớn của tụ điện với ắc qui. Nguyên lý nạp xả của tụ điện là tính chất đặc trưng và cũng là điều cơ bản trong nguyên lý làm việc của tụ điện. Nhờ tính chất này mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều. Nếu điện áp của hai bản mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian mà ta cắm nạp hoặc xả tụ rất dễ gây ra hiện tượng nổ có tia lửa điện do dòng điện tăng vọt. Đây là nguyên lý nạp xả của tụ điện khá phổ biến.