Tụ Điện
Cấu tạo tụ điện, điện dung, ghép tụ và năng lượng của tụ điện
Tụ điện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện như quạt điện, tủ lạnh, ti vi, động cơ… với nhiều hình dạng khác nhau.
▸ Các loại tụ điện phổ biến
| Loại tụ | Đặc điểm cấu tạo |
|---|---|
| Tụ điện phẳng | Gồm hai bản phẳng kim loại đặt song song. Giữa hai bản là chất điện môi (có thể là không khí). |
| Tụ điện hình trụ | Hai bản là tấm giấy thiếc/kẽm/nhôm, lớp điện môi làm bằng giấy tẩm paraffin. Cuộn lại và đặt trong vỏ kim loại để giảm kích thước. |
| Tụ xoay | Loại tụ có thể thay đổi điện dung bằng cách xoay. |
• Hai bản phải đặt gần nhau và ngăn cách bởi lớp cách điện (điện môi).
• Nếu hai vật dẫn tiếp xúc trực tiếp hoặc nằm trong dung dịch dẫn điện → không phải tụ điện.
• Nếu hai vật không phải vật dẫn (gỗ khô, nhựa…) → không phải tụ điện.
Trong mạch điện, tụ điện có nhiệm vụ tích điện và phóng điện.
▸ Cách tích điện cho tụ điện
- Nối hai bản tụ với hai cực của nguồn điện một chiều.
- Bản nối với cực dương → tích điện dương.
- Bản nối với cực âm → tích điện âm.
- Điện tích trên hai bản có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu.
- Điện tích của tụ là độ lớn điện tích trên một bản tụ (không phải tổng hai bản).
▸ Sự phóng điện của tụ
Sau khi tích điện, bỏ nguồn ra và nối hai bản tụ với một điện trở (hoặc bóng đèn) → có dòng điện chạy qua và điện tích trên tụ giảm nhanh. Đó là sự phóng điện của tụ.
▸ Hiện tượng đánh thủng điện môi
Điện môi vốn là chất không dẫn điện (mật độ điện tích tự do rất nhỏ). Tuy nhiên:
- Khi điện trường ngoài đặt vào điện môi vượt quá giới hạn nhất định → các liên kết trong nguyên tử bị phá vỡ → xuất hiện điện tích tự do.
- Lúc này điện môi trở thành vật dẫn điện → gọi là hiện tượng đánh thủng điện môi.
- Vì vậy mỗi tụ điện đều có một hiệu điện thế tối đa cho phép $U_{max}$ ghi trên vỏ — nếu vượt quá, tụ sẽ bị đánh thủng và hỏng.
Với mỗi tụ điện nhất định, người ta chứng minh được: điện tích $Q$ mà tụ tích được tỉ lệ thuận với hiệu điện thế $U$ đặt vào hai bản:
Trong đó:
- $C$: điện dung của tụ điện, đơn vị fara (F).
- $Q$: điện tích của tụ điện (C).
- $U$: hiệu điện thế giữa hai bản tụ (V).
▸ Định nghĩa đơn vị fara
1 fara là điện dung của một tụ điện mà nếu đặt hiệu điện thế 1 V vào hai bản thì tụ tích được 1 C điện tích.
Trong thực tế, tụ điện thường có điện dung từ $10^{-12}$ F đến $10^{-6}$ F nên người ta dùng các đơn vị nhỏ hơn:
| Đơn vị | Kí hiệu | Quy đổi |
|---|---|---|
| Milifara | mF | $1\,mF = 10^{-3}$ F |
| Micrôfara | $\mu F$ | $1\,\mu F = 10^{-6}$ F |
| Nanôfara | nF | $1\,nF = 10^{-9}$ F |
| Picôfara | pF | $1\,pF = 10^{-12}$ F |
Để có tụ điện với điện dung mong muốn hoặc chịu được hiệu điện thế cần thiết, người ta ghép nhiều tụ thành bộ.
▸ Ghép nối tiếp
| Đại lượng | Quy luật |
|---|---|
| Điện tích | $Q_b = Q_1 = Q_2 = \ldots = Q_n$ (bằng nhau ở mọi tụ) |
| Hiệu điện thế | $U_b = U_1 + U_2 + \ldots + U_n$ (tổng) |
| Điện dung | $C_b$ nhỏ hơn mỗi $C_i$ riêng lẻ |
▸ Ghép song song
| Đại lượng | Quy luật |
|---|---|
| Hiệu điện thế | $U_b = U_1 = U_2 = \ldots = U_n$ (bằng nhau ở mọi tụ) |
| Điện tích | $Q_b = Q_1 + Q_2 + \ldots + Q_n$ (tổng) |
| Điện dung | $C_b$ lớn hơn mỗi $C_i$ riêng lẻ |
• Ghép song song: điện dung TĂNG → tích điện tốt hơn.
• Ghép nối tiếp: điện dung GIẢM nhưng chịu được hiệu điện thế lớn hơn (mỗi tụ chỉ chịu một phần $U$).
a) Ghép nối tiếp.
b) Ghép song song.
$\dfrac{1}{C_b} = \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{3} + \dfrac{1}{4} = \dfrac{6 + 4 + 3}{12} = \dfrac{13}{12}$
$\Rightarrow C_b = \dfrac{12}{13} \approx 0{,}92\,\mu F$.
Khi tích điện cho tụ, nguồn điện đã thực hiện công để dịch chuyển các electron từ bản dương sang bản âm. Một phần công này chuyển thành thế năng của các điện tích trên hai bản tụ — đó là năng lượng tích trữ của tụ điện. Khi tụ phóng điện qua điện trở, nó giải phóng năng lượng này.
Trong đó:
- $W$: năng lượng của tụ điện, đơn vị jun (J).
- $Q$: điện tích của tụ (C).
- $U$: hiệu điện thế (V).
- $C$: điện dung (F).
• Biết $Q$, $U$ → dùng $W = QU/2$.
• Biết $C$, $U$ → dùng $W = CU^2/2$.
• Biết $Q$, $C$ → dùng $W = Q^2/(2C)$.
▸ Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống
| Ứng dụng | Mô tả |
|---|---|
| Tích trữ năng lượng | Trong động cơ xe máy, máy hàn dùng công nghệ phóng điện, mạch khuếch đại. |
| Lưu trữ điện tích | Lưu trữ điện tích để dùng khi cần (đèn flash máy ảnh, mạch nhớ). |
| Lọc dòng điện | Không cho dòng điện một chiều đi qua, chỉ cho dòng điện xoay chiều đi qua. |
| Khởi động động cơ | Cung cấp năng lượng khởi động cho động cơ điện một pha (ví dụ: quạt điện). |
Để xem lý thuyết đầy đủ kèm các công thức mở rộng, sơ đồ tư duy chi tiết và phương pháp giải đầy đủ các dạng bài tập về tụ điện, ghép tụ và năng lượng tụ, hãy đọc bài viết bên dưới:
Toàn bộ công thức, các dạng bài tập tính toán, sơ đồ tư duy, phương pháp giải và lỗi sai thường gặp.
Sau khi đã nắm vững lý thuyết, các em hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát chương trình SGK Kết Nối Tri Thức!
Luyện tập Bài 21 – Tụ điện!
25 câu: 19 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
Tuyệt vời!
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn