Bài 21: Tụ điện

1. Kiến thức trọng tâm

Tụ điện là một hệ gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và cách điện với nhau, dùng để tích điện và lưu trữ năng lượng điện trường. Hai vật dẫn này gọi là hai bản của tụ điện.

Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định, được xác định bằng thương số giữa điện tích $Q$ của tụ điện và hiệu điện thế $U$ giữa hai bản:

$$C = \frac{Q}{U}$$

Đơn vị của điện dung là fara ($\text{F}$).

Điện dung của tụ điện phẳng, gồm hai bản kim loại phẳng song song diện tích $S$, cách nhau một khoảng $d$, đặt trong môi trường có hằng số điện môi $\varepsilon$, là $C = \varepsilon S/(4\pi kd)$. Điện dung của tụ điện chỉ phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và môi trường điện môi giữa hai bản, không phụ thuộc vào điện tích hay hiệu điện thế đặt vào tụ.

Khi tụ điện đã tích điện, giữa hai bản tồn tại điện trường và tụ điện dự trữ năng lượng điện trường:

$$W = \frac{QU}{2} = \frac{CU^2}{2} = \frac{Q^2}{2C}$$

Khi ghép các tụ điện nối tiếp, điện tích trên các tụ bằng nhau và nghịch đảo điện dung tương đương bằng tổng các nghịch đảo điện dung thành phần. Khi ghép song song, hiệu điện thế trên các tụ bằng nhau và điện dung tương đương bằng tổng các điện dung thành phần.

2. Ví dụ minh họa

Một tụ điện phẳng có điện dung $C = 20, \mu\text{F}$ được tích điện đến hiệu điện thế $U = 120, \text{V}$. Tính điện tích của tụ điện và năng lượng điện trường dự trữ trong tụ.

Lời giải: Điện tích của tụ điện: $Q = CU = 20 \cdot 10^{-6} \cdot 120 = 2,4 \cdot 10^{-3}, \text{C}$. Năng lượng điện trường dự trữ: $W = CU^2/2 = 20 \cdot 10^{-6} \cdot 120^2/2 = 0,144, \text{J}$.

3. Ghi nhớ

• Tụ điện dùng để tích điện và lưu trữ năng lượng điện trường.
• Điện dung $C = Q/U$, đơn vị fara ($\text{F}$); $C$ chỉ phụ thuộc cấu tạo của tụ.
• Năng lượng tụ điện: $W = QU/2 = CU^2/2 = Q^2/(2C)$.
• Ghép nối tiếp: $1/C = 1/C_1 + 1/C_2 + \dots$; ghép song song: $C = C_1 + C_2 + \dots$.