Lý thuyết Tụ điện - Vật Lí 11 Kết nối tri thức

BÀI 21: TỤ ĐIỆN

I. Tụ điện

- Tụ điện được dùng trong nhiều thiết bị điện với hình dạng khác nhau

- Tụ điện là một loại linh kiện điện tử gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bởi môi trường cách điện (điện môi). 

- Mỗi vật dẫn được gọi là một bản tụ điện.

- Mật độ điện tích tự do trong điện môi rất nhỏ, điện môi không dẫn điện.

- Điện trường ngoài đặt vào điện môi lớn hơn một giới hạn nhất định, điện môi trở thành dẫn điện (điện môi bị đánh thủng).

- Tụ điện được kí hiệu như Hình 21.2.

- Tụ điện có nhiệm vụ tích điện và phóng điện.

- Quá trình tích điện và phóng điện như sau: nối hai bản cực của tụ với hai cực của nguồn điện một chiều để tích điện, sau đó bỏ nguồn và nối hai bản tụ với một điện trở hoặc bóng đèn để phóng điện.

- Lúc này dòng điện chạy qua điện trở và điện tích trên tụ điện giảm nhanh. Ta gọi đó là sự phóng điện của tụ điện.

II. Điện dung của tụ điện

1. Điện dung

- Tích điện cho các tụ điện khác nhau với hiệu điện thế U sẽ cho kết quả điện tích khác nhau, cho thấy khả năng tích điện của chúng khác nhau.

- Độ lớn điện tích Q tụ điện tích được tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt vào hai bản của nó: Q=CU.

- Điện dung C là hằng số đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện và được tính bằng tỉ số giữa điện tích Q và hiệu điện thế U đặt vào hai bản tụ điện.

- Đơn vị của điện dung C là fara (kí hiệu là F), là điện dung của một tụ điện mà nếu đặt hiệu điện thế 1 V vào hai bản tụ điện thì điện tích của tụ điện là 1C.

- Tụ điện thực tế thường có điện dung từ 10^-12 F đến 10^-6 F, được đo bằng các đơn vị: 

+ 1 micrôfara (kí hiệu là uF) = 10^-6 F.

+ 1 nanôfara (kí hiệu là nF) = 10^-9 F.

+ 1 picôfara (kí hiệu là pF) = 10^-12 F.

- Trên vỏ tụ điện thường ghi hai thông số kĩ thuật quan trọng là điện dung của tụ điện và hiệu điện thế tối đa được sử dụng.

- Các thông số khác của từng loại tụ điện có thể bao gồm tần số dòng điện, khoảng nhiệt độ mà tụ điện hoạt động bình thường...

2. Điện dung của bộ tụ điện

- Trong thực tế muốn có tụ điện với điện dung thích hợp hay hiệu điện thế cần thiết người ta phải ghép các tụ điện thành bộ tụ điện.

a) Ghép nối tiếp

- Ghép nối tiếp n tụ điện chưa tích điện có điện dung C₁, C₂, ..., C_n với nhau và mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế U (Hình 21.7).

- Hiệu điện thế, điện tích và điện dung của bộ tụ phụ thuộc vào các đại lượng tương ứng của mỗi tụ theo các công thức sau:

+ U = U₁ + U₂+ ... + U_n

+ Q = Q₁=Q₂ =…= Qn

+ 1/C = 1/C₁ +1/C₂ +…+ 1/C_n

b) Ghép song song

- Ghép n tụ điện chưa tích điện có điện dung C₁, C₂, ..., C_n song song với nhau và mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế U (Hình 21.8).

- Hiệu điện thế, điện tích và điện dung của bộ tụ phụ thuộc vào các đại lượng tương ứng của mỗi tụ theo các công thức sau:

+ U = U₁ = U₂ = ... = U_n

+ Q = Q1 + Q₂ + … +Q_n

+ C=C₁ + C₂ + … +C_n

III. Năng lượng của tụ điện

- Khi sử dụng nguồn điện để tích điện cho tụ, công A của nguồn điện dịch chuyển các electron từ bản cực dương sang bản cực âm của tụ, tạo ra năng lượng W = A.

- Ứng dụng quan trọng nhất của tụ điện là tích trữ và cung cấp năng lượng.

- Quá trình tích điện cho tụ điện diễn ra trong khoảng thời gian, hiệu điện thế tăng tỉ lệ thuận với lượng điện tích tích được trên tụ.

- Ta tích điện cho tụ điện đến điện tích q₁ = q bởi hiệu điện thế U₁ = (1/C).q, và tiếp tục tích điện thêm q₂ = q₁ + Δq bởi hiệu điện thế U₂ = (q+Δq)/C.

- Công của nguồn điện dịch chuyển một điện tích nhỏ Aq từ bản cực này tới bản cực kia bằng ΔA = Δq.U.

- Khi điện tích Δq rất nhỏ, ΔA = ((U₁+U₂)/2).Δq chính bằng điện tích hình thang ABGD.

- Công để tích điện cho tụ điện đến điện tích Q bằng tổng các công nhỏ ΔA hay tổng các diện tích hình thang tương ứng. Công A mà nguồn điện thực hiện bằng diện tích hình tam giác OQM: A = QU/2.

- Năng lượng của tụ điện tích điện được tính bằng công thức W = Q²/2C = CU²/2, với Q là điện tích, U là hiệu điện thế, C là điện dung.

- Năng lượng của tụ điện cũng chính là năng lượng điện trường trong tụ điện.

IV. Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

- Tích trữ năng lượng là chức năng quan trọng nhất của tụ điện và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện như động cơ xe máy, máy hàn dùng công nghệ phóng điện của tụ (Hình 21.10), mạch khuếch đại...

- Tụ điện còn có nhiều chức năng khác như lưu trữ điện tích, lọc dòng điện một chiều,..

Sơ đồ tư duy về “Tụ điện”