Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN DUNG

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN DUNG

Tải bản đầy đủ - 0trang

Còn gọi là hệ tĩnh từ tuyệt đối, cũng xây dựng trên cơ sở ba đơn vị cơ bản centimét,

gam và giây như hệ CGSe. Từ định luật Coulomb của tĩnh từ suy ra đơn vị từ khối và từ

đó suy ra các đơn vị điện từ khác.

c/ Hệ CGS đối xứng

Còn gọi là hệ Gauss, trong đó đơn vị điện là của hệ CGSe và đơn vị từ là của hệ

CGSm. Hệ CGS đối xứng có đặc điểm là xây dựng cân đối và có lơgích, nó là một hệ

nhất quán, do đó được dùng rất rộng rãi trong vật lý để mô tả các đại lượng cần đo và để

tính tốn. Các hằng số vật lý cho đến nay vẫn còn được diễn đạt theo đơn vị CGS.

1.1.1.2 Hệ đơn vị điện từ tuyệt đối thực dụng

Hệ đơn vị điện từ CGS có cỡ đơn vị khơng thực dụng, có đơn vị quá lớn lại có đơn

vị quá bé so với những nhu cầu trong đời sống và sản xuất. Hội nghị quốc tế lần thứ nhất

các nhà điện học năm 1881 cũng đã xây dựng hệ đơn vị điện từ tuyệt đối thực dụng dẫn

xuất từ hệ CGSm nhưng có cỡ đơn vị khắc phục được nhược điểm trên của hệ CGS bằng

cách nhân các đơn vị này với luỹ thừa bậc nào đó của 10. Các đơn vị thực dụng sau đây

đã được thông qua đầu tiên:

-



Đơn vị điện trở thực dụng là “ôm”, bằng 109 đơn vị điện trở của hệ CGSm.



-



Đơn vị điện thế thực dụng là “von”, bằng 108 đơn vị điện thế của hệ CGSm.



-



Đơn vị cường độ dòng điện thực dụng là “ampe”, bằng 10-1 đơn vị cường độ dòng

điện của hệ CGSm.



-



Đơn vị điện dung thực dụng là “fara”, bằng 10-9 đơn vị điện dung của hệ CGSm.

Thừa số nhân của đơn vị điện trở và điện thế được lấy bằng 109 và 108 là để cho



đơn vị “ôm” và “von” xấp xỉ với điện trở của một cột thủy ngân dài 100 cm, tiết diện 1

mm² và sức điện động của pin chuẩn Daniell đã được dùng làm đơn vị điện trở và điện

thế lúc bấy giờ.

Hội nghị quốc tế lần thứ hai các nhà điện học năm 1889 đã quy định thêm 3 đơn vị

điện từ thực dụng nữa:

-



Đơn vị đo điện năng là “jun”, bằng 107 đơn vị điện năng của hệ CGSm.

12



-



Đơn vị công suất là “ốt”, bằng 107 đơn vị cơng suất của hệ CGSm.



-



Đơn vị tự cảm “quadran” sau đổi tên là “henry”, bằng 109 đơn vị tự cảm của hệ

CGSm.

Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) và các Đại hội cân đo quốc tế (CGPM) sau này



đã quy định nhiều đơn vị điện từ thực dụng khác nữa như “vêbe” đo từ thông; “tesla”

đo cảm ứng từ; “simen” đo điện dẫn...

1.1.1.3 Các đơn vị điện từ quốc tế

Do những khó khăn trong việc thể hiện chính xác các đơn vị điện từ tuyệt đối thực

dụng theo quy định lý thuyết trên, nên Hội nghị quốc tế các nhà điện học lần thứ ba họp

năm 1893 ở Chicago đã công nhận các đơn vị điện từ quốc tế. Các đơn vị này khác các

đơn vị điện từ tuyệt đối thực dụng ở chỗ được định nghĩa qua chính các chuẩn để thể

hiện nó chứ không phải là qua các đơn vị tuyệt đối tương ứng. Hội nghị trên đã xây dựng

3 đơn vị quốc tế cơ bản là “ôm quốc tế” định nghĩa qua cột thuỷ ngân; “ampe quốc tế”

định nghĩa qua bình điện phân với dung dịch điện phân là nitrat bạc; “von quốc tế” được

định nghĩa qua pin chuẩn Clarca. Các đơn vị điện từ khác như “culông quốc tế”, “fara

quốc tế”.v.v. được dẫn xuất từ 3 đơn vị cơ bản này.

Để phân biệt các hệ đơn vị điện từ tuyệt đối xây dựng trên cơ sở các đơn vị độ dài,

khối lượng và thời gian; người ta gọi tập hợp các đơn vị “ôm quốc tế”, “ampe quốc tế”,

“von quốc tế” và các đơn vị dẫn xuất từ chúng là “các đơn vị điện từ quốc tế”.

Đại hội quốc tế các nhà điện học năm 1908 ở Luân đôn đã hoàn thành việc xây

dựng các đơn vị điện từ quốc tế và phân ranh giới rõ ràng giữa các đơn vị tuyệt đối thực

dụng và đơn vị quốc tế. Sau Hội nghị này, các đơn vị điện từ quốc tế đã được công nhận

ở nhiều nước và được sử dụng rộng rãi cho đến khi Uỷ ban cân đo quốc tế (CIPM) quyết

định ngừng sử dụng các đơn vị này bắt đầu từ 01/01/1948 và chuyển sang các đơn vị

điện từ tuyệt đối thực dụng với mối liên hệ sau:

1qt = 1,000 49 tđ

1Vqt = 1,000 34 Vtđ

13



Ký hiệu qt và tđ chỉ đơn vị quốc tế và đơn vị tuyệt đối.

1.1.1.4 Hệ MKSA

Cơ sở của hệ này đã được nhà bác học người Italia Giorgi nêu lên từ năm 1901,

nên hệ này còn có tên là “hệ Giorgi” do Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế đề nghị năm 1958.

Các đơn vị cơ bản của hệ MKSA là mét, kilôgam, giây và ampe. Trong hệ MKSA, lực

đo bằng niutơn, công và năng lượng đo bằng jun, công suất đo bằng ốt. Các đơn vị cơ

như vậy hồn tồn phù hợp với các đơn vị điện từ của hệ tuyệt đối thực dụng như ampe,

von, ơm, culơng.v.v.... Hệ MKSA chính là phần đơn vị điện từ của Hệ đơn vị quốc tế

(SI), trong đó các đơn vị dẫn xuất được dẫn xuất qua các phương trình điện từ đã được

hợp lý hoá. Trong hệ MKSA hợp lý hoá hằng số điện môi trong chân không C 0 và hệ số

từ thẩm trong chân khơng 0 có giá trị:

C0 =



10⁷ F

4c² m



; 0 = 4 10⁷



H

m



với c là vận tốc của ánh sáng trong chân không.

1.1.1.5. Hệ đơn vị quốc tế SI

Hệ đơn vị quốc tế SI được thiết lập đầu tiên vào năm 1960 bởi Văn phòng cân đo

quốc tế gọi tắt là BIPM. Đến nay hệ đơn vị SI bao gồm 7 đại lượng cơ bản đó là:

- Mét (m) đơn vị đo độ dài

- Kilogam (kg) đơn vị đo khối lượng

- Giây (s) đơn vị đo thời gian

- Ampe (A) đơn vị đo cường độ dòng điện

- Kelvin (K) đơn vị đo nhiệt độ

- Mole (mol) đơn vị đo lượng vật chất

- Candela (Cd) đơn vị đo quang thông.

Đơn vị điện dung trong hệ đơn vị SI là đơn vị dẫn xuất, có tên gọi là Fara, ký

hiệu: F.



14



1.1.2 Đại lượng và đơn vị đo điện dung của hệ đơn vị quốc tế SI

Điện dung là đại lượng nói lên đặc tính khả năng tích điện trên hai bản cực của một tụ

điện khi đặt một hiệu điện thế đặt lên hai bản cực đó, được thể hiện là tỷ số giữa lượng

điện tích được nạp và hiệu điện thế đặt lên nó.

C



Q

U



9 



(1.1)



Trong đó C là ký hiệu điện dung, Q là lượng điện tích được nạp trên hai bản cực của tụ

điện (C), U là hiệu điện thế đặt lên hai bản cực đó (V).

Đơn vị diện dung trong hệ đơn vị quốc tế SI được gọi là Fara, ký hiệu là F [4]. Tên fara

được lấy theo tên của nhà khoa học J. Faraday để tôn vinh công lao của ông.

Tụ điện phẳng là tụ điện được cấu tạo từ hai bản cực phẳng dẫn điện đặt song song, giữa

hai bản cực đó là một lớp cách điện được gọi chung là lớp điện môi. Điện dung của tụ

điện phẳng tỷ lệ với hằng số điện mơi của lớp cách điện và diện tích của bản cực và tỷ

lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản cực đó.

C



Trong đó:



 .A



(1.2)



d



ε là hằng số điện mơi của lớp cách điện (F/m).

A là diện tích của bản cực (m2).

D khoảng cách giữa hai bản cực (m).



Trong thực tế tụ điện phẳng thường được sử dụng phổ biến trong cả lĩnh vực chuẩn cũng

như các tụ điện ứng dụng, vì vậy để đơn giản tụ điện phẳng sau đây được gọi tắt là tụ

điện.

Tụ điện đầu tiên được phát minh bời von Kleist và von Musschenbroek vào thế kỷ

18 và tụ điện được cải tiến bởi nhiều nhà khoa học khác trong đó có Faraday. Farady là

người đầu tiên thực hiện phép đo điện dung tương đối của hai tụ điện.

1.2 Chuẩn đơn vị điện dung

1.2.1 Khái niệm về chuẩn và phân loại chuẩn



15



Chuẩn đo lường là sự thể hiện bằng vật chất độ lớn của đơn vị đo theo định nghĩa.

Chuẩn được tạo thành từ một tập hợp các vật đọ tương tự nhau gọi là chuẩn nhóm.

Ví dụ chuẩn đơn vị điện dung (F) là một nhóm gồm 5 tụ chuẩn 100 pF, giá trị chuẩn fara

là giá trị trung bình của 5 tụ chuẩn đó. Chuẩn được tạo thành từ một tập hợp các chuẩn

với những giá trị được chọn một cách riêng biệt hoặc phối hợp với nhau để cung cấp một

dãy giá trị của các đại lượng cùng loại gọi là bộ chuẩn. Ví dụ bộ tụ chuẩn gồm các tụ

chuẩn có giá trị thập tiến đơn trị từ 1 pF đến 1 µF.

Có thể phân loại chuẩn theo độ chính xác hoặc mục đích sử dụng. Căn cứ theo độ

chính xác có thể phân loại như sau:

- Chuẩn đầu (primary standard): Là chuẩn được chỉ định hay thừa nhận rộng rãi

là có chất lượng về mặt đo lường cao nhất và các giá trị của nó được chấp nhận khơng

dựa vào các chuẩn khác của cùng đại lượng.

- Chuẩn thứ (secondary standard): Là chuẩn mà giá trị của nó được ấn định bằng

cách so sánh với chuẩn đầu của cùng đại lượng.

- Chuẩn bậc I: Là chuẩn mà giá trị của nó được ấn định bằng cách so sánh với

chuẩn thứ của cùng đại lượng.

- Chuẩn bậc II: Là chuẩn mà giá trị của nó được ấn định bằng cách so sánh với

chuẩn bậc I của cùng đại lượng.v.v.

Căn cứ theo chức năng, mục đích sử dụng có thể phân loại:

- Chuẩn quốc tế (international standard): Là chuẩn được một hiệp định quốc tế

công nhận để làm cơ sở ấn định giá trị cho các chuẩn khác của đại lượng có liên quan

trên phạm vi quốc tế.

- Chuẩn quốc gia (national standard): Là chuẩn được một quyết định có tính chất

quốc gia công nhận để làm cơ sở ấn định giá trị cho các chuẩn khác có liên quan trong

một nước.



16



- Chuẩn chính (reference standard): Là chuẩn thường có chất lượng cao nhất về

mặt đo lường có thể có ở một địa phương hoặc một tổ chức xác định mà các phép đo ở

đó đều được dẫn xuất từ chuẩn này.

- Chuẩn công tác (working standard): Là chuẩn được dùng thường xuyên để hiệu

chuẩn hoặc kiểm tra vật đọ, phương tiện đo hoặc mẫu chuẩn.

- Chuẩn so sánh (transfer standard): Là chuẩn được sử dụng như là một phương

tiện để so sánh các chuẩn.

Liên quan đến chuẩn đo lường còn có một khái niệm rất quan trọng, đó là tính

liên kết chuẩn đo lường (traceability).

Tính liên kết chuẩn đo lường được định nghĩa là tính chất của kết quả đo nhờ đó

kết quả có thể liên hệ tới mốc quy chiếu thơng qua một chuỗi không đứt đoạn các phép

hiệu chuẩn được lập thành tài liệu, mỗi phép hiệu chuẩn đóng góp vào độ không đảm

bảo đo [10].

1.2.2 Các chuẩn đơn vị điện dung

1.2.2.1 Tụ điện tính tốn (Calculable Capacitor hay Cross capacitor)

Tụ điện tính tốn được tìm ra bởi Thompson và Lampard. Hai người đã chứng

minh được rằng với bốn thanh dẫn điện thẳng hình trụ khép kín đặt đối xứng trong chân

khơng thì điện dung chéo trung bình giữa các thanh dẫn được đưa ra bởi một hàm đơn

giản chỉ phụ thuộc vào hằng số điện môi trong chân không (ε0) và chiều dài của tụ tính

tốn [3], cụ thể:

C



C1  C2  0 . F 3



( )

2

ln 2 m



Trong đó: ε0 = 8.854187817.10-12 F.m-1.



17



(1.3)



Hình 1.1. Cấu tạo của tụ điện tính tốn[3].

Ống bảo vệ bao gồm hai ống dẫn điện đặt song song và chính giữa của các thanh dẫn,

một ống có thể điều chỉnh được vị trí. Trong thực tế chiều dài của tụ tính tốn khơng

phải là chiều dài mà được định nghĩa là khoảng cách giữa hai đầu ống bảo vệ được gọi

là khoang Fabry-Perot. Chiều dài của tụ tính tốn được xác định bởi giao thoa quang học

sử dụng khoang Fabry-Perot.

Toàn bộ các phần tử của tụ điện tính tốn được đặt trong chân khơng và chiều dài của tụ

tính tốn được xác định nhờ một nguồn laser có bước sóng ổn định đi qua khoang FabryPerot nhờ một hệ gương. Nhờ đó ta có thể xác định chính xác chiều dài của tụ tính tốn.

Đã có rất nhiều Viện Đo lường quốc gia của các nước đã chế tạo thành cơng tụ điện tính

tốn. Đến thời điểm hiện tại tụ điện tính tốn vẫn được sử dụng như chuẩn đầu của đơn

vị điện dung [3].

1.2.2.2 Tụ điện chuẩn Artifact

Tụ điện chuẩn artifact (sau đây gọi tắt là tụ chuẩn) thực chất là tụ điện phẳng. Tụ

chuẩn có cấu tạo từ hai bản cực phẳng diện tích A đặt cách nhau một khoảng cách d và

giữa hai bản cực là một lớp cách điện có hệ số điện mơi ε rất ổn định. Đặc tính của tụ

chuẩn là:

- Độ ổn định cao hay độ biến thiên giá trị điện dung theo năm thấp.

- Hệ số nhiệt thấp

18



- Hệ số độ ẩm và áp suất thấp

- Chống rung tốt

- Giá trị cố định không tái tạo được.

Hiện nay hầu hết các phòng thí nghiệm quốc gia đều duy trì một nhóm tụ điện

chuẩn Artifact [7]. Giá trị của tụ điện chuẩn Artifact thường nằm trong phạm vi 0,01 pF

đến và 1 mF. Tụ điện chuẩn artifact thường được chế tạo theo dãy giá trị 1;2;3;4 (Ví dụ:

1 pF; 2 pF; 3 pF; 4 pF; 10 pF;20 pF....). Trong đó các giá trị chẵn như 1; 10; 100 ...

thường được sử dụng trong các nhóm chuẩn duy trì.



Hình 1.2. Tụ điện Artifact

Một số điện mơi được dùng để chế tạo tụ điện chuẩn Artifact như: Fuse-Sillica;

Nitrogen (khí nitơ); khơng khí; dầu; Mica.... Các tụ điện chuẩn Artifact thường được đặt

trong bể khí hoặc bể dầu chuyên dụng để duy trì sư ổn định của nhiệt độ [7].

1.2.3 Vấn đề liên kết chuẩn

Truyền đạt chính xác độ lớn của đơn vị đo từ chuẩn cao nhất đến các phương tiện

đo thông dụng là biện pháp cơ bản để đảm bảo tính thống nhất và độ chính xác cần thiết

của tất cả các phép đo trong từng nước và trên tồn thế giới. Đó chính là cơng việc dẫn

xuất chuẩn và truyền chuẩn. Hiệu chuẩn phương tiện đo là biện pháp quan trọng để đạt

tới mục tiêu này.

Hiệu chuẩn (calibration) được định nghĩa là tập hợp các thao tác trong điều kiện

quy định để thiết lập mối quan hệ giữa các giá trị của đại lượng được chỉ bởi phương



19



tiện đo, hệ thống đo hoặc giá trị được thể hiện bằng vật đọ, mẫu chuẩn và các giá trị

tương ứng thể hiện bằng chuẩn.

Kết hợp sự phân loại chuẩn và phương tiện đo theo độ chính xác và theo mục đích sử

dụng có thể tóm tắt bản chất kỹ thuật của việc hiệu chuẩn bằng sơ đồ dưới đây:

Bậc chính

xác

Bậc 0



Chuẩn Quốc Gia



PP so sánh



Chuẩn chính



Bậc I



PP so sánh



PP so sánh



Chuẩn chính



Chuẩn cơng tác

Bậc II



PP so sánh



PP so sánh



PP so sánh



Chuẩn chính



Chuẩn cơng tác



Phương tiện đo



Bậc III



Hình 1.3. Sơ đồ phân loại chuẩn

1.2.4 Vài nét về trình độ chuẩn quốc tế và hệ thống chuẩn điện dung của Việt Nam

Hiện nay trên thế giới tại các nước phát triển như Hoa Kỳ, Đức, Pháp, Nhật Bản,

Hàn Quốc, Australia, .... trình độ chuẩn về lĩnh vực đo lường điện dung đã đạt được

những thành tựu rất cao. Ở đó họ đã nghiên cứu chế tạo và duy trì hệ thống chuẩn đầu

20



về điện dung (Tụ điện tính tốn) rất chính xác. Việc duy trì và dẫn xuất chuẩn điện dung

hiện nay đang được phát triển theo các hướng khác nhau. Các nước phát triển sau thì vẫn

đi theo lối mòn cũ đó là sử dụng tụ điện tính tốn như chuẩn đầu. Tuy nhiên, một số

nước đi trước dường như đang nghiên cứu đi theo một hướng khác đó là phát triển Hiệu

ứng Hall xoay chiều hoặc điện trở xoay chiều tính tốn sau đó sao truyền sang chuẩn

điện dung. Lý do bởi một phần do cấu tạo phức tạp của tụ điện tính tốn cộng thêm với

việc tụ điện tính tốn vẫn phải phụ thuộc vào kích thước hình học của các thanh dẫn.

Trong khi đó, nếu phát triển theo hướng Hiệu ứng Hall xoay chiều thì chuẩn điện dung

được xác định thông qua hằng số vật lý điều này phù hợp với xu thế hiện nay. Ngay cả

khi phát triển theo hướng điện trở xoay chiều tính tốn thì việc chế tạo cũng đơn giản

hơn nhiều. Tất nhiên dù phát triển theo hướng nào thì trình độ chuẩn của các nước đó

cũng đang đạt đến mức độ rất cao.

Đối với hệ thống chuẩn Điện dung của Việt Nam hiện nay chưa đủ năng lực để

chế tạo cũng như vận hành những thiết bị phức tạp đòi hỏi cơng nghệ cao như tụ tính

tốn, điện trở xoay chiều tính toán hay Hiệu ứng Hall xoay chiều do vậy một phương án

khả thi cho chúng ta đó là duy trì theo phương pháp nhóm chuẩn và thể hiện đơn vị Fara

dựa vào giá trị trung bình của nhóm chuẩn đó.



21



CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT LĨNH VỰC ĐO ĐIỆN DUNG

2.1 Đo lường đại lượng Điện dung.

2.1.1 Lý thuyết chung

Điện dung là một thành phần quan trọng của tổng trở (Z) vì vậy lịch sử về đo lường

Điện dung gắn liền với đo lường tổng trở. Tổng trở là một thông số mạch quan trọng sử

dụng trong mạch điện, nó được định nghĩa là tổng hợp những phần tử cản trở dòng điện

xoay chiều ở một tần số nhất định. Vec tơ tổng trở bao gồm hai thành phần là thành phần

thực (điện trở) và thành phần ảo (điện kháng), trong đó điện dung thuộc thành phần điện

kháng. Sơ đồ vec tơ tổng trở được cho trong hình 2.1 [2].



Hình 2.1. Sơ đồ véc tơ tổng trở [2]

Z  R  jX



(2.1)



Z  R2  X 2



(2.2)



X

R



  tan 1 ( )



Trong đó:



(2.3)



Z là tổng trở, Ω

R là điện trở, Ω

X là điện kháng, Ω



22



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN DUNG

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×