Physic Labs

Điện học – Từ học

Tụ điện và điện dung

Tụ điện tích trữ điện tích và năng lượng điện trường; điện dung cho biết tụ tích được bao nhiêu điện tích với mỗi đơn vị hiệu điện thế.

Tụ điện gồm hai vật dẫn ngăn cách bởi lớp cách điện. Khi nối vào nguồn, hai bản tích điện trái dấu; giữa chúng hình thành điện trường. Tụ phẳng lý tưởng có điện dung tăng khi diện tích bản tăng, giảm khi khoảng cách bản tăng.

C=QU,C=εAd (parallel plates),W=12CU2=Q22CC=\frac{Q}{U},\qquad C=\varepsilon\frac{A}{d}\ (\text{parallel plates}),\qquad W=\frac{1}{2}CU^2=\frac{Q^2}{2C}

Định nghĩa: Điện dung

Điện dung CC đo bằng farad (F); QQ là độ lớn điện tích trên mỗi bản, UU là hiệu điện thế giữa hai bản. CC phụ thuộc hình học và điện môi, không phụ thuộc QQ hay UU trong miền tuyến tính. Trong công thức tụ phẳng, AA là diện tích mỗi bản, dd là khoảng cách và ε\varepsilon là điện thẩm của môi trường.

Thay đổi diện tích, khoảng cách và điện áp giữa hai bản để theo dõi điện dung, điện tích và năng lượng tích trữ.

Mắc tụ điện

Các tụ mắc song song cùng chịu hiệu điện thế, nên điện dung tương đương là tổng. Khi mắc nối tiếp, mỗi tụ có cùng độ lớn điện tích và hiệu điện thế được chia; nghịch đảo điện dung tương đương bằng tổng các nghịch đảo.

C∥=C1+C2,1Cs=1C1+1C2C_{\parallel}=C_1+C_2,\qquad \frac{1}{C_{\mathrm{s}}}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}

Ví dụ: Năng lượng trong tụ

Tụ 100 μ100\,\muF được nạp đến 1212 V. Tính điện tích và năng lượng tích trữ.

Lời giải

Q=CU=100×10−6×12=1.2×10−3Q=CU=100\times10^{-6}\times12=1.2\times10^{-3} C. W=CU2/2=7.2×10−3W=CU^2/2=7.2\times10^{-3} J.

Khi điện môi lấp đầy khe giữa hai bản, phân tử của nó phân cực và làm giảm điện trường bên trong; ở cùng điện áp, tụ có thể tích điện nhiều hơn. Hãy phân biệt trường hợp tụ còn nối nguồn với trường hợp đã cô lập: nối nguồn thì UU cố định, còn cô lập thì QQ cố định. Ví dụ, nếu diện tích bản tăng gấp đôi trong khi khoảng cách và điện môi giữ nguyên, điện dung cũng tăng gấp đôi theo C=εA/dC=\varepsilon A/d.

Điện năng tích trữ là năng lượng của điện trường giữa hai bản chứ không phải năng lượng được tạo ra. Khi tụ phóng điện qua tải, năng lượng đó chuyển hóa thành nhiệt, ánh sáng hoặc công cơ học.

Trắc nghiệm nhanh

Một tụ có điện dung C=5 μC=5\,\muF được đặt vào hiệu điện thế 1010 V. Điện tích trên mỗi bản có độ lớn bao nhiêu?

Hai tụ điện mắc song song có điện dung tương đương bằng:

Tài liệu tham khảo

  1. Young, Freedman (2019). University Physics