Tụ điện là gì? Cấu tạo, nguyên lý, cách đo và tính tụ điện chính xác 100%

Tụ điện là gì ? Nguyên lý hoạt động ra sao ắt hẳn là câu hỏi của khá nhiều người khi thấy hầu hết các thiết bị điện trong gia đình đều có, nhưng vẫn chưa biết công dụng của nó ra sao. Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu nhé.

Tham khao thêm:

Lý thuyết phương trình bậc nhất hai và cách giải phương trình bậc nhất hai ẩn kèm bài tập
Lý thuyết và cách giải bất phương trình bậc nhất hai ẩn có VD minh họa chi tiết từ A – Z
Lý thuyết và cách giải bất phương trình bậc nhất một ẩn kèm theo bài tập

Nội Dung

Tụ điện là gì?

Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện. Mỗi vật dẫn đó gọi là một bản của tụ điện.

Kí hiệu

Tụ điện được lí hiệu là C

Cách tích tụ điện

Muốn tích điện cho tụ điện, người ta nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện

Bản nối cực dương sẽ tích điện dương, bản nối cực âm sẽ tích điện âm.
Độ lớn điện tích trên mỗi bản của tụ điện khi đã tích điện gọi là điện tích của tụ điện.

Các loại tụ điện phổ biến

Tụ hóa: là tụ có phân cực âm (-), dương (-) và luôn có hình trụ. Trên thân tụ sẽ thể hiện giá trị điện dung tử 0.47 µF tới 4700 µF.

Tụ giấy, tụ gốm và tụ mica: là tụ không phân cực và có hình dẹt, không phân biệt hai cực âm dương. Trị số được ký hiệu trên thân bằng ba số. Điện dung của tụ thường khá thấp, chỉ khoảng 0.47 µF.

Tụ xoay: là tụ có thể xoay nhằm thay đổi giá trị của điện dung. Tụ này thường được lắp đặt trong Radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài.

Tụ Lithium ion: có năng lượng cực cao dùng để tích điện 1 chiều.

Cấu tạo của tụ điện

Cấu tạo của tụ điện gồm hai loại dây dẫn điện ở dạng tấm kim loại. Hai dây dẫn này được đặt song song và cũng có một lớp điện môi để ngăn cách.
Điện môi được sử dụng để ngăn cách hai bề mặt là các chất không dẫn điện như thủy tinh, gốm, mica, giấy, màng nhựa hoặc không khí. Các điện môi này không dẫn điện để tăng khả năng lưu trữ điện năng của tụ điện.

Tùy thuộc vào chất liệu cách điện giữa các bản cực, thì tụ điện sẽ có tên gọi tương ứng. Chẳng hạn như lớp cách điện ở đây là không khí, thì ta có tụ không khí, là gốm ta gọi là tụ gốm, là giấy ta gọi tụ giấy….

Nguyên lý hoạt động của tụ điện

Nguyên lý làm việc của tụ điện sẽ được phân thành hai quy trình phóng nạp và nạp xả của tụ điện cụ thể:
Nguyên lý phóng nạp: Là khả năng tích trữ năng lượng điện giống một ắc quy nhỏ dưới dạng điện trường. Tụ điện có thể lưu trữ hiệu quả các electron (không tự sinh ra các electron), sau đó phóng ra điện và tạo thành dòng điện.

– Nguyên lý nạp xả: Nhờ có tính chất nạp xả mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều. Khi điện áp giữa 2 bản mạch biến thiên theo thời gian (không thay đổi đột ngột) mà bạn cắm nạp hoặc xả tụ, hiện tương tia lửa điện sẽ xảy ra do dòng điện bị tăng vọt. Và đây chính là nguyên lý nạp xả của tụ điện.

Điện dung của tụ

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. Nó được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó.

Đơn vị của tụ điện: Fara (F). Cụ thể, 1 Fara = 1F = 10-6MicroFara = 10-9 NanoFara = 10-12 PicoFara.

Năng lượng của điện trường trong tụ điện

Người ta chứng minh được công thức tính năng lượng của điện trường trong tụ điện:

Các dạng bài tập liên quan đến tụ diện

Ví dụ 1: 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 là:

Giải:

Ví dụ 2: 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:

Giải:

Ta có điện dung của tụ là :

Để tụ đó tích được một điện lượng là 2,5 nC thì phải đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế:

Ví dụ 3: Một tụ điện được tích điện bằng một hiệu điện thế là 10V thì năng lượng của tụ là 10mJ. Nếu muốn năng lượng của tụ là 22,5mJ thì phải đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế:

Giải:

Điện dung của tụ là

Nếu muốn W = 22,5.10^-3 J thì

Ví dụ 4: Một tụ điện có điện dung C1 = 0,2 μF khoảng cách giữa hai bản là d1 = 5 cm được nạp điện đến hiệu điện thế U = 100 V.

a) Tính năng lượng của tụ điện.

b) Ngắt tụ ra khỏi nguồn điện. Tính độ biến thiên năng lượng của tụ khi dịch 2 bản lại gần còn cách nhau d2 = 1 cm.

Giải:

a) Năng lượng của tụ điện:

b) Điện dung của tụ điện:

+ Điện dung của tụ điện lúc sau:

+ Điện tích của tụ lúc đầu: Q₁ = C₁U₁ = 0,2.10^-6.100 = 2.10^-5 C

+ Vì ngắt tụ ra khỏi nguồn nên điện tích không đổi, do đó: Q₂ = Q₁

+ Năng lượng lúc sau:

+ Độ biến thiên năng lượng: ΔW = W₂ – W₁ = -8.10^-4 J < 0 ⇒ năng lượng giảm

Ví dụ 5: Tụ phẳng không khí d = 1,5cm nối với nguồn U = 39kV (không đổi).

a) Tụ có hư không nếu biết điện trường giới hạn của không khí là 30kV/cm?

b) Sau đó đặt tấm thủy tinh có ε = 7, l = 0,3cm và điện trường giới hạn 100kV/cm vào khoảng giữa, song song 2 bản. Tụ có hư không?

Giải:

– Điện trường giữa hai bản tụ là:

a) Trường hợp điện trường giới hạn bằng 30 kV/cm: Vì E < E_gh nên tụ không bị hư.

b) Trường hợp điện trường giới hạn bằng 100 kV/cm: Khi có tấm thủy tinh, điện dung của tụ tăng lên, điện tích ở các bản tụ tăng lên làm cho điện trường trong khoảng không khí cũng tăng lên.

Gọi E₁ là cường độ điện trường trong phần không khí; E₂ là cường độ điện trường trong phần thủy tinh. Ta có:

U = E₁(d – l) + E₂l và E2= E1/ ε

Vì E₁ > E_gh = 30 kV/cm nên không khí bị đâm xuyên và trở nên dẫn điện, khi đó hiệu điện thế U của nguồn đặt trực tiếp vào tấm thủy tinh, điện trường trong tấm thủy tinh là: