Nạp Điện Tụ Điện & Hằng Số Thời Gian
Khi một tụ điện nạp qua một điện trở, nó không nạp đầy với tốc độ đều — nó nạp nhanh lúc đầu, rồi chậm dần khi gần đến hiệu điện thế đầy đủ. Hằng số thời gian cho biết sự chậm lại này xảy ra nhanh như thế nào: sau một hằng số thời gian, tụ điện đã đạt khoảng 63 phần trăm hiệu điện thế cuối cùng của nó.
Công thức
τ = R · C
- τ — hằng số thời gian (s): thời gian để đạt khoảng 63 phần trăm mức nạp đầy
- R — điện trở (Ω): điện trở giới hạn dòng điện nạp bao nhiêu
- C — điện dung (F): tụ điện có thể lưu trữ bao nhiêu điện tích trên mỗi vôn
Ví dụ đã giải
Một điện trở 1000 Ω nạp một tụ điện 0,001 F. Hằng số thời gian là bao nhiêu?
- R = 1000 Ω
- C = 0.001 F
- τ = R · C
- τ = 1000 Ω · 0.001 F
τ = 1 s
Tự kiểm tra
Nếu điện trở được đổi thành 2000 Ω với cùng tụ điện 0,001 F, hằng số thời gian mới là bao nhiêu?
- Đáp án đúng: 2 s
- 1 s
- 4 s
Đúng! τ = R · C = 2000 Ω × 0.001 F = 2 s — tăng gấp đôi điện trở tăng gấp đôi hằng số thời gian.
Sau đúng một hằng số thời gian trôi qua, tụ điện đã đạt khoảng bao nhiêu phần trăm hiệu điện thế đầy đủ?
- 37%
- 50%
- Đáp án đúng: 63%
Chính xác — sau một hằng số thời gian, tụ điện ở khoảng 63% hiệu điện thế cuối cùng của nó.
Bạn thấy điều này ở đâu
Đèn flash máy ảnh không thể nháy hai lần liên tiếp: sau lần bùng sáng, tụ điện nạp lại qua một điện trở, nhanh lúc đầu rồi chậm dần, và đèn báo sẵn sàng chỉ sáng lên khi nó đã leo được phần lớn quãng đường. Đèn xi-nanh và khoảng thời gian gạt nước kính ô tô kiểu cũ chính là cùng một mạch đó được dùng như một chiếc đồng hồ — nhịp nháy được quyết định bởi việc tụ điện nạp đầy nhanh đến đâu.
Những sai lầm phổ biến
Sai lầm phản xạ là giả định tụ điện nạp với tốc độ đều — đi qua nửa thời gian không có nghĩa là nạp được nửa đầy: sau một hằng số thời gian nó đạt khoảng 63 phần trăm, không phải 50, và nó tiệm cận hiệu điện thế đầy ngày càng chậm. Sai lầm thứ hai là hiểu sai chiếc núm chỉnh nhịp độ: τ = R · C, nên tăng gấp đôi điện trở từ 1000 Ω lên 2000 Ω với cùng tụ điện 0.001 F sẽ làm hằng số thời gian tăng gấp đôi từ 1 s lên 2 s — điện trở lớn hơn nghĩa là nạp chậm hơn, và ôm nhân fara quả thật ra đúng đơn vị giây.
Nó liên kết như thế nào
Phần này khép lại chủ đề mạch điện bằng cách gộp mọi thứ lại với nhau: vòng mạch tuân theo các quy tắc Kirchhoff ở mọi thời điểm, điện trở tuân theo định luật Ohm, còn tụ điện tích lũy phần chênh lệch — đó là lý do dòng điện yếu dần khi khoảng chênh lệch hiệu điện thế khép lại. Tụ điện sẽ quay lại với vai trò nhân vật chính trong chủ đề điện từ, vẫn là linh kiện ấy nhưng giờ được nhìn nhận như một kho trữ năng lượng.