Bài 6. Tụ Điện

[Tăng Giáp]

Tụ điện là một trong những linh kiện điện – điện tử quan trọng nhất, xuất hiện trong mọi mạch điện từ đơn giản đến phức tạp. Hiểu rõ bản chất của tụ điện giúp học sinh nắm chắc kiến thức Vật lí 11 và giúp người học điện tử ứng dụng tốt trong thực tế. Bài viết này trình bày một cách hệ thống toàn bộ lý thuyết về tụ điện: khái niệm, cách tích điện, điện dung, các loại tụ, ghép tụ điện, năng lượng điện trường, kèm ví dụ minh họa và bài tập vận dụng.

I. Khái niệm về tụ điện​

1. Tụ điện là gì?​

Tụ điện là một hệ gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và được ngăn cách bởi một lớp cách điện (còn gọi là điện môi). Hai vật dẫn đó được gọi là hai bản của tụ điện. Lớp cách điện có thể là không khí, mica, gốm, giấy, nhựa… tùy vào loại tụ.

Tụ điện có nhiệm vụ tích trữ điện tích và năng lượng điện trường. Khi được nối vào nguồn điện, một bản tụ sẽ tích điện dương, bản còn lại tích điện âm, tạo ra điện trường đều giữa hai bản (nếu là tụ phẳng).

2. Cấu tạo của tụ điện phẳng​

Trong các loại tụ điện, tụ phẳng là dạng tiêu biểu và thường được dùng để xây dựng các công thức. Cấu tạo của tụ điện phẳng như sau:

• Hai bản kim loại phẳng song song.
• Giữa hai bản là một lớp điện môi có hằng số điện môi $\varepsilon = \varepsilon_0 \varepsilon_r$.
• Khoảng cách giữa hai bản thường rất nhỏ so với kích thước bề mặt.

Vì có cấu tạo đơn giản và tính toán dễ dàng, tụ phẳng trở thành mô hình chuẩn trong các công thức vật lí.

3. Kí hiệu tụ điện trong mạch​

Trong sơ đồ mạch điện, tụ điện thường được biểu diễn bằng hình: ▌▌ hoặc ▌|▌

Một số mạch điện còn ghi thêm giá trị điện dung bên cạnh, ví dụ: 100 nF, 10 μF, 2200 μF,…

II. Cách tích điện cho tụ điện​

1. Nguyên tắc hoạt động​

Để tích điện cho tụ điện, người ta nối hai bản tụ vào hai cực của nguồn điện:

• Bản nối với cực dương của nguồn sẽ tích điện dương.
• Bản nối với cực âm sẽ tích điện âm.

Khi đó, điện tích trên hai bản có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu. Tổng điện tích của cả hệ vẫn bằng 0.

2. Điện tích của tụ điện​

Khi tụ đã được tích điện hoàn toàn, điện tích trên mỗi bản là $Q$. Đây chính là điện tích của tụ điện.
Lưu ý rằng điện tích không đi qua điện môi, mà chỉ tập trung ở bề mặt hai bản kim loại.

III. Điện dung của tụ điện​

1. Định nghĩa điện dung​

Thực nghiệm cho thấy điện tích tích được trên tụ điện tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt vào hai bản tụ. Ta có: $Q = CU$
Trong đó:

• $Q$: điện tích của tụ (Coulomb).
• $U$: hiệu điện thế giữa hai bản tụ (Volt).
• $C$: điện dung của tụ (Farad).

Từ đó: $C = \frac{Q}{U}$
Điện dung đo khả năng tích điện của tụ dưới một hiệu điện thế nhất định.
Tụ có điện dung càng lớn thì dưới cùng hiệu điện thế, nó tích được càng nhiều điện tích.

2. Công thức điện dung của tụ phẳng​

Với tụ điện phẳng: $C = \varepsilon \frac{S}{d}$
Trong đó:

• $S$: diện tích mỗi bản tụ.
• $d$: khoảng cách hai bản tụ.
• $\varepsilon = \varepsilon_0 \varepsilon_r$: hằng số điện môi.

Kết luận:

• $S$ càng lớn ⇒ $C$ càng lớn.
• $d$ càng nhỏ ⇒ $C$ càng lớn.
• Điện môi có $\varepsilon_r$ càng lớn ⇒ $C$ càng lớn.

3. Đơn vị điện dung​

Đơn vị chuẩn của điện dung là fara (F):

• $1F = 10^6 μF = 10^9 nF = 10^{12} pF$

Trong thực tế:

• Tụ gốm: vài pF đến vài nF.
• Tụ mica/giấy: vài nF đến vài μF.
• Tụ hóa: từ 1 μF đến hàng nghìn μF.

IV. Các loại tụ điện​

1. Phân loại theo điện môi​

• Tụ không khí: dùng cho thí nghiệm cơ bản.
• Tụ giấy, tụ mica: ổn định, dùng trong radio.
• Tụ gốm, tụ sứ: phổ biến, kích thước nhỏ.
• Tụ hóa (Electrolytic): điện dung rất lớn, dùng trong lọc nguồn.

2. Tụ xoay (variable capacitor)​

Là loại tụ có điện dung thay đổi được bằng cách xoay trục cơ khí.

Tụ xoay thường dùng trong radio, mạch dò tần số.

V. Ghép tụ điện​

Trong mạch điện, các tụ điện có thể được ghép nối tiếp hoặc song song tùy mục đích sử dụng.

1. Ghép tụ điện nối tiếp​

Khi ghép nối tiếp:

• Điện tích trên các tụ đều bằng nhau: $Q_1 = Q_2 = \cdots = Q$
• Điện dung tương đương: $\frac{1}{C_{\text{tđ}}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \cdots$

⇒ Điện dung tương đương nhỏ hơn điện dung nhỏ nhất trong dãy.

Ứng dụng: Tạo tụ có điện áp chịu được lớn hơn.

2. Ghép tụ điện song song​

Khi ghép song song:

• Hiệu điện thế trên các tụ bằng nhau: $U_1 = U_2 = \cdots = U$
• Điện dung tương đương: $C_{\text{tđ}} = C_1 + C_2 + \cdots$

⇒ Điện dung tương đương tăng lên, dùng để tăng khả năng tích điện.

VI. Năng lượng điện trường trong tụ điện​

Khi tụ được nạp điện, năng lượng của điện trường được tích trữ giữa hai bản. Công thức tính năng lượng là: $W = \frac{Q U}{2} = \frac{C U^2}{2} = \frac{Q^2}{2C}$
Ý nghĩa:

• Tụ điện có thể cung cấp năng lượng ngay lập tức khi cần (ví dụ đèn flash máy ảnh).
• Năng lượng lưu trữ tăng khi tăng điện dung hoặc tăng điện áp.

 

[tontuecskh]

Đặt vào hai đầu tụ điện một hiệu điện thế 10V thì tụ tích được một điện lượng là 20.10$^{-9}$ C. Điện dung của tụ?
Lời giải
C = Q / U = 2·10⁻⁹ F = 2 nF

 

[Lê Chiến]

Để tụ tích một điện lượng 10 nC thì đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế là 2V. Để tụ đó tích được một điện lượng là 2,5 nC thì phải đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế là bao nhiêu?
Lời giải
Ta có điện dung của tụ là $C = \dfrac{Q}{U} = \dfrac{10^{-9}}{2}\ \text{F}.$
Để tụ đó tích được một điện lượng là 2,5(nC) thì phải đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế:
$U' = \frac{{Q'}}{C}$ $ = \frac{{2,5 \cdot {{10}^{ - 9}}}}{{0,5 \cdot {{10}^{ - 9}}}}$ $ = 5\;{\rm{V}}.$

 

[Tăng Giáp]

Một tụ điện có điện dung 2μF. Khi đặt một hiệu điện thế 4V vào hai bản tụ thì tụ điện tích được điện lượng bằng bao nhiêu?

Lời giải​

Ta có: Q = CU = 2.10$^{-6}$.4 = 8.10$^{-6}$ C