Có 1 xíu xiu em hông hiểu của bác hainguyen273 ạ Đó là khi nạp tụ bằng 1 dòng điện không đổi có hiệu điện thế là a, khi ấy mật độ các eletron trên một bản tụ tăng dần, nhưng không chạy qua được bản tụ bên kia do có lớp điện môi, bản tụ này bị tích điện âm
Khi ấy, do hiện tượng điện hưởng toàn phần, bản tụ còn lại bị tích điện dương hơn, giữa 2 bản tụ tồn tại một điện trường, do đó, cũng tồn tại một hiệu điện thế
Bạn giải thích cơ chế tích điện của tụ như vậy là đúng rồi, nhưng đó là mô tả định tính. Để cho nhanh và rõ ràng, mình giải thích định lượng kèm theo các thí dụ tính toán bằng số để bạn hiểu rõ hơn, như sau: Đúng như bạn mô tả, điện trường giữa hai bản cực của tụ điện gây ra một hiệu điện thế có chiều ngược lại với chiều nguồn cung cấp. Còn về độ lớn, giá trị hiệu điện thế này bằng tích phân dòng điện chạy qua nó theo thời gian và chia cho một giá trị không đổi C, chính là điện dung của tụ. Đó là công thức sau đây:
e = ∫idt/C [1]
Bây giờ quay lại giả định đã nêu ở post trên của mình, đó là cấp điện cho tụ bằng một dòng điên không đổi có giá trị là I, thì từ phương trình tích phân bên trên bạn chỉ cần thay hàm tổng quát i bằng giá trị I không đổi, bạn lập tức thu được:e = I*t/C + E [2]
Trong đó: I là cường độ dòng điện nạp, C là điện dung của tụ, E là giá trị điện áp ban đầu có sẵn trên tụ tại thời điểm đóng mạch cấp điện cho tụ [t=0]Đây là một hàm số bậc nhất theo thời gian t. Đến đây bạn đã nhìn thấy sự tăng "mãi mãi" của điện áp e trên tụ khi thời gian trôi đi chưa nào? 😃
Bây giờ vừa để minh họa cho các phân tích của bài post trên của mình, vừa làm rõ thêm các thắc mắc của bạn, mình lấy vài ví dụ bằng con sô:Ví dụ 1: Lấy I = 10A, C = 10F, E=0V [ban đầu tụ không có điện]
Bạn sẽ có: - Tại thời điểm ban đầu [khi đóng mạch điện để bắt đầu sạc]: t=0 --> e = 0V- Sau 5 giây, e = 10*5/10 + 0 = 5V
- Sau 10 phút, tức 600 giây, e = 10*600/10 + 0 = 600V....
Bạn đã thấy chưa? Chỉ với 5 giây sạc, bạn đã có ngay điện áp 6V trên tụ rồi, quá mức điện thế tối đa mà 1 chiếc smartphone hiện nay sử dụng [4.2V]!
Còn nếu bạn vẫn duy trì dòng điện sạc 10A như vậy trong suốt 10 phút thì về lý thuyết như tính trên, điện áp trên sẽ tăng đến tận 600V! Thế nhưng trong thực tế một chiếc siêu tụ thường chỉ có điện áp chịu đựng rất bé, cỡ 5-10V mà thôi, do vậy chưa cần chờ hết 10 phút có thể nó đã biến thành quả pháo hoa rồi! 😃 Nếu như công nghệ vài năm nữa có chế tạo được cái tụ có điện dung 10F mà chịu dựng được điện áp 600V thì kích thước của nó có thể phải bằng cỡ cái nồi cơm điện! Có dùng được cho smartphone không thì cũng còn tùy cách định nghĩa thế nào là smartphone lúc đó.
Ví dụ 2: Vẫn các số liệu như trên, với dòng điện sạc là 10A thì sau bao lâu điện áp trên tụ đạt 4.2V?
Chúng ta có 4.2V = 10*t/10 + 0 --> t = 4.2 [giây] Như vậy với 1 chiếc tụ 10F, chúng ta chỉ cần sạc với dòng điện 10A trong 4.2 giây là nó đã "đầy" theo cách dùng của smartphone rồi đấy! Bạn thấy có nhanh không? Rất hấp dẫn phải không?
Ví dụ 3: Vẫn sử dụng siêu tụ 10F, hãy tính dung lượng điện tích trữ của tụ khi điện áp trên nó đạt 4.2V [mức đầy 100% của pin Li-ion], khi đó nó tương đương với cục pin bao nhiêu mAh? Lớn hơn hay nhỏ hơn bao nhiêu lần so với cục pin 1500mAh của chiếc điện thoại Samsung Galaxy S II?
Trước hết hãy cùng thống nhất các khái niệm về pin: Một cục pin có dung lượng 1500mAh. Điều đó có nghĩa là gì? Nó có nghĩa, nếu bạn xả điện từ nó với dòng điện không đổi 1500mA thì nó sẽ cạn sạch điện sau đúng 1 giờ. Nếu quy đổi sang Cu-lông [đơn vị quy chuẩn SI của điện lượng] thì nó tương đương với một điện lượng là Q = 1500/1000*3600 = 5400 [Cu-lông]. Một cách tổng quát, nếu gọi dung lượng thương mại của pin là M, như trên M=1500mAh, thì ta có công thức: Q = M/1000*3600Tức là: Q = 3.6*M [3]
Còn với tụ điện, khi dùng trong mạch điện một chiều người ta dùng công thức sau để tính điện lượng tích trữ của nó:
Q = C*U [4]
Trong đó: Q là điện lượng tích trữ trong tụ, đơn vị là Cu-lông, C là giá trị điện dung đặc trưng của tụ, đơn vị là Fara, còn U là hiệu điện thế trên 2 bản cực của tụ. Khi sử dụng dòng điện không đổi có cường độ I để nạp hoặc xả điện cho tụ thì từ sự kết hợp của phương trình [1] và [4] chúng ta có một công thức khác rất thuận tiện cho các tính toán tụ điện:
Q = I*t [5]
Trong đó: Q là điện lượng tích trữ, đơn vị là Cu lông. I là cường độ dòng điện nạp hoặc xả, đơn vị là Ampe [A]. t là thời gian, đơn vị là giây [s] Như ví dụ trên, sau 4.2 giây sạc, chiếc tụ 10F của chúng ta đã đạt điện áp U=4.2V. Lúc ấy, điện lượng Q mà nó tích trữ được sẽ là: Q = C*U = 10*4.2 = 42 [Cu-lông] Mặt khác, như công thức [3] chúng ta có: Q = 3.6*M
Từ đó chúng ta có: M = Q/3.6 = 42/3.6 = 11.7mAh!
Như vậy, chiếc tụ 10F như trên nếu sạc với dòng điện không đổi 10A trong 4.2 giây thì nó chứa một lượng điện tương đương với một cục pin 11.7mAh. Tức là lượng điện mà nó lưu trữ không bằng 1/10 cục pin 1500mAh của Galaxy S2. Quá nhỏ bé! Như bạn đã biết, ngay cả chiếc điện thoại Nokia 1100 thời đồ đá ngày xưa cũng đã có một cục pin 850mAh rồi.
Ví dụ 4: Tính điện dung của tụ sao cho khi sạc nó trong 5 giây thì nó tích được lượng điện tương đương như lượng điện của cục pin 1500mAh [M=1500], với hiệu điện thế trên tụ khi đó là U = 4.2V. Với giả thiết ban đầu tụ không có điện [điện áp ban đầu trên tụ bằng 0]. Và trong trường hợp đó, bạn cần sạc nó bằng dòng điện bao nhiêu ampe?
Như công thức [3] ở trên chúng ta có: Q = 3.6M Mặt khác theo công thức [4] chúng ta có: Q = C*UTừ đó có: C*U = 3.6M ==> C = 3.6M/U = 3.6*1500/4.2 = 1285 [F]
từ công thức [5] bạn tính được dòng điện để sạc chiếc tụ này trong thời gian t = 5 giây để điện áp trên nó từ 0V lên 4.2V là:
I = Q/t = 3.6M/t = 3.6*1500/5 = 1080[A]!
Đến đây bạn đừng vội kết luận là một cục pin 1500mAh như của Galaxy S II có sức chứa tương đương như chiếc tụ 1285F vừa tính ở trênở cùng điều kiện hoạt động. Mà hãy xem ví dụ cuối cùng dưới đây để tính toán giá trị chiếc tụ tương đương thực sự khi dùng nó y hệt như một cục pin Li-ion:
Ví dụ 6: Giả sử chiếc smartphone đình đám SS Galaxy S2 của bạn có thời lượng sử dụng pin là 2 ngày, tính từ khi sạc đầy 100% đến khi pin cạn sạch. Và giả thiết thời điểm pin cạn, điện áp trên nó là U1=3.3V, còn lúc đầy 100% là U2=4.2V. Tính giá trị điên dung của siêu tụ sử dung thay thế tương đương.
Từ công thức [4] ở trên mà bạn đã học ở phổ thông: Q = C*U Công thức này có ý nghĩa: Một tụ điện có điện dung C, nếu mang trên mình một điện áp U, thì ta nói nó đang "dự trữ" một lượng điện là Q có giá trị bằng tích số của C và U. Điều này cũng có nghĩa, nếu bạn nối tắt 2 cực của tụ lại thì sẽ có một dòng điện chảy qua dây dẫn và điện lượng chảy qua đó có giá trị đúng bằng Q. Còn nữa, sau khi phóng hết điện lượng đó hiệu điện thế trên 2 cưc của tụ sẽ bằng 0. Đến đây ta phân tích lại cách hoạt động của pin: Pin khác với tụ ở chỗ, khi nó hết điện, trên 2 cực của nó vẫn còn điện áp, tức hiệu điện thế khác 0. Còn tụ thì ngược lại, nó chỉ hết điện khi hiệu điện thế trên 2 cực của nó bằng 0. Tiếp theo chúng ta phân tích cách hoạt động của smartphone: Bộ phận quản lý nguồn điện của smartphone hiện nay được thiết kế để sử dụng với pin Li-ion với cơ chế ngắt sạc điện khi điên thế trên pin đạt 4.2V [mức đầy của pin Li-ion, giá trị này tùy hãng, tùy loại pin, nói cách khác là tùy từng loại máy], đây chính là lúc pin đầy 100%. Và sẽ tự tắt máy khi điện thế trên pin chạm đến mức 3.3V [giá trị này cũng chỉ là thí dụ, thưc tế tùy hãng sx], đây là lúc pin cạn sạch. Từ các phân tích trên, nếu bạn muốn sử dụng tụ điện để thay thế cho pin thì nó phải đáp ứng đúng cơ chế hoạt động đó. Như vậy bạn sẽ thấy rằng, nếu sử dụng tụ thay thế cho pin thì nó sẽ không bao giờ ở tình trạng phóng hết điện cả, vì như giả thiết trên thì ở mức điện áp 3.3V nó vẫn còn rất "nhiều" điện. Nhưng lúc này điều đó không còn quan trọng nữa, mà các thông số quan trọng bây giờ là 2 giá trị: Ngắt sạc lúc U2=4.2V và sạc lúc U1=3.3V. Như vây, điên lượng tuyệt đối của tụ tích trữ trong 2 trạng thái đó lần lượt bằng: Q1 = C*U1 Q2 = C*U2 Từ đó tính được lượng điện sử dụng cho máy theo chế độ hoạt động của pin như phân tích trên là: Qx = Q2 - Q1 = C*[U2 - U1] = C*[4.2 - 3.3]Hay: Qx = 0.9*C
Tiếp theo chúng ta quy đổi dung lượng của cục pin 1500mAh ra cùng đơn vị quy chuẩn Cu-lông bằng công thức [3], đó là: Qx = 3.6M = 3.6*1500 = 4200 [Cu-lông] Kết hợp 2 công thức trên bạn có:
0.9*C = 4200 --> C = 4200/0.9 = 4667 [F]
Vậy là bạn cần phải sử dụng một chiếc tụ có giá trị điện dung là 4667F có điện áp giới hạn chịu đựng trên 4.2V, chưa kể nó phải có "phẩm chất" tuyệt đối [nội trở tương đương như nội trở của pin Li-ion] mới có thể thay thế cho cục pin "xoàng" của Galaxy S2! Đây là những con số "vĩ đại" mà công nghệ siêu tụ điện hiện nay vẫn còn đang trong giai đoạn ... ao ước....! 😃
Còn nếu trong trường hợp, chỉ là nếu thôi nhé, là bạn đang có trong tay chiếc tụ đó rồi thì bạn hoàn toàn có quyền sạc nó chỉ trong vòng 5 giây, với một dòng điện không đổi là:Ix = Qx/t = 4667/5 = 933 [Ampe]
Cũng là một con số vĩ đại, vì bạn biết không, nó lớn gấp gần một trăm lần so với dòng điện tiêu thụ của một chiếc bình nóng lạnh 2kW ở nhà bạn đang sử dụng đấy. Như vậy, chỉ cần có một cục sạc và các chân tiếp xúc của pin trong máy, chân tiếp xúc giữa sạc và máy, chân tiếp xúc giữa ổ điện và cục sạc,... có khả năng tải được một dòng điện như thế trong vòng 5 giây, khi đó chính là lúc bạn có trong tay một chiếc smartphone mà chỉ cần sạc 5 giây rồi dùng trong 2 ngày. Còn nữa, hãy tính thử công suất cấp điện của cục sạc nhé: Như bạn biết, hầu hết các smartphone hiên nay đều dùng một nguồn điện áp 5V để sạc cho điện thoại. Như trên, bạn cần một dòng điện 933A để sạc trong 5 giây. Vậy công suất cấp điện tối thiểu của cục sạc là:
Px = Ix * U = 933*5 = 4665W = 4.6kW
[Tương đương với một máy phát điện chạy xăng dân dụng dùng cho một hộ gia đình!] Còn nếu muốn sạc 5 giây rồi dùng trong 20 ngày thì tất cả cứ nhân 10 lên: Bạn cần có chiếc tụ 46670F, một dòng điện sạc 9330A, và một cục sạc có công suất 46kW, bé bằng bao diêm thì càng tốt. Bạn thấy đấy, một cục sạc bé bằng bao diêm có công suất cấp điện bằng 10 lần máy phát điện chạy xăng dân dụng loại lớn!Chừng nào thì nền khoa học công nghệ có thể cho ra đời một chiếc tụ và những cục sạc như thế? Bây giờ các bác thông cảm với các nhà khoa học chưa? 😃
Bạn bị ngộ nhận một chi tiết đó là coi điện áp nguồn cung cấp là giá trị a là không đổi. Trong trường hợp này, muốn duy trì một dòng điện không đổi nạp điện cho tụ thì nguồn điện cung cấp phải có điện áp thay đổi, hoặc một điện trở điều tiết thay đổi. Nhưng đó là chuyện của bộ sạc, chúng ta không bàn tới việc chế tạo nó ra sao. Việc giả thiết một dòng điện sạc không đổi trong phân tích đó của mình chỉ nhằm mục đích đơn giản hóa để nêu bật rõ nét các đặc tính khác nhau giữa tụ điện và pin mà thôi. Và cũng để đơn giản trong các tính toán giúp mọi người dễ theo dõi mà thôi. Còn trong thực tế, người ta không sạc pin bằng dòng điện không đổi trong suốt quá trình sạc.Khi hiệu điện thế này đạt đến giá trị là a, là giá trị cực đại, thì tụ điện đã "nạp" xong, và hiệu điện thế không còn tăng nữa, và trong mạch không còn dòng điện do hiệu điện thế ở 2 bản tụ đã bằng với nguồn Sao trong bài trên lại ghi là tăng mãi mãi bác nhỉ?
em nghĩ bác đã nhầm lẫn, bác đang so sánh việc sạc pin bằng 1 dòng điện không đổi và nạp tụ bằng 1 dòng điện tăng đều thì phải