Bài 21. Tụ điện

Tụ điện được sử dụng trong các thiết bị điện như quạt điện, tủ lạnh, ti vi, động cơ,... với các hình dạng khác nhau.

Mật độ điện tích tự do trong điện môi là rất nhỏ do đó điện môi là những chất không dẫn điện. Khi điện trường ngoài đặt vào điện môi lớn hơn một giới hạn nhất định thì các liên kết giữa các điện tích trái dấu trong nguyên tử của chất điện môi sẽ bị phá vỡ, điện tích tự do xuất hiện. Lúc này điện môi trở thành dẫn điện (điện môi bị đánh thủng).

Khi vẽ mạch điện, tụ điện được kí hiệu như Hình 21.2.

Trong mạch điện, tụ điện có nhiệm vụ tích điện và phóng điện. Ta có thể hình dung quá trình tích điện và phóng điện như sau:

+ Để tích điện cho tụ điện, người ta nối hai bản cực của tụ điện với hai cực của nguồn điện một chiều. Bản nối với cực dương sẽ tích điện dương, bản nối với cực âm sẽ tích điện âm (Hình 21.3). Điện tích trên hai bản tụ điện có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu. Ta gọi độ lớn này là điện tích của tụ điện.

+ Sau khi tích điện cho tụ điện, ta bỏ nguồn điện ra và nối hai bản tụ điện với một điện trở (hoặc bóng đèn), sẽ có dòng điện chạy qua điện trở và điện tích trên tụ điện giảm nhanh. Ta gọi đó là sự phóng điện của tụ điện.

Dùng một nguồn có hiệu điện thế U để tích điện cho một số tụ điện khác nhau. Kết quả cho thấy độ lớn điện tích mà các tụ điện này tích được là không giống nhau, nghĩa là khả năng tích điện của chúng là khác nhau.

Với mỗi tụ điện nhất định người ta đã chứng minh được: độ lớn điện tích Q tụ điện tích được tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt vào hai bản của nó.

Trong công thức (21.2), khi Q được tính bằng đơn vị Coulomb (C), U được tính bằng đơn vị Vôn (V) thì đơn vị của điện dung C là fara (kí hiệu là F).

Chú ý rằng, tụ điện được sử dụng trong thực tế thường có điện dung cỡ khoảng từ ${10}^{-12}$ F đến ${10}^{-6}$ F nên người ta cũng thường dùng các đơn vị:

+ 1 micrôfara (kí hiệu là µF) = ${10}^{-6}$ F.

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

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

Trên vỏ tụ điện thường được ghi hai thông số kĩ thuật quan trọng (Hình 21.1) là điện dung của tụ điện và hiệu điện thế tối đa được sử dụng (nếu dùng quá hiệu điện thế này, tụ điện có nguy cơ bị đánh thủng). Tuỳ vào từng loại tụ điện mà có thể có thêm các thông số khác như tần số dòng điện, khoảng nhiệt độ mà tụ điện hoạt động bình thường...

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.

Ghép nối tiếp n tụ điện chưa tích điện có điện dung $C_1,C_2,\mathrm{.}\mathrm{.}\mathrm{.},C_n$ với nhau rồi mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế U (Hình 21.7). Hiệu điện thế, điện tích và điện dung của bộ tụ sẽ có mối liên hệ với các đại lượng tương ứng của mỗi tụ theo các công thức sau:

Ghép n tụ điện chưa tích điện có điện dung $C_1,C_2,\mathrm{.}\mathrm{.}\mathrm{.},C_n$ song song với nhau rồi mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế U (Hình 21.8). Hiệu điện thế, điện tích và điện dung của bộ tụ sẽ có mối liên hệ với các đại lượng tương ứng của mỗi tụ theo các công thức sau:

b) Sử dụng công thức (21.8) cho bộ tụ điện ghép song song ta tính được: $C_{ss}=C_1+C_2+C_3$ Thay số vào ta tính được điện dung của bộ tụ điện: $C_{ss}=9\mu \mathrm{F}$ Kết quả $C_{ss}>C_{nt}$ cho thấy bộ tụ điện ghép song song có khả năng tích điện tốt hơn.

Khi sử dụng nguồn điện để tích điện cho tụ, nguồn điện đã thực hiện công A để dịch chuyển các electron từ bản cực nối với cực dương sang bản cực nối với cực âm của tụ điện. Công A này đã chuyển thành thế năng điện của các electron trên bản nhiễm điện âm hay nói cách khác, tụ điện đã tích một năng lượng W = A. Khi cho tụ điện phóng điện qua điện trở (hay bóng đèn) thì tụ điện giải phóng năng lượng đã tích lũy được. Do đó ứng dụng quan trọng nhất trong thực tế của tụ điện là tích trữ năng lượng và cung cấp năng lượng.

Quá trình tích điện cho tụ điện C diễn ra trong một khoảng thời gian và hiệu điện thế sẽ tăng tỉ lệ thuận với lượng điện tích đã tích được trên tụ như Hình 21.9.

Ban đầu ta tích điện cho tụ điện tới điện tích $q_1=q$ bởi một hiệu điện thế $U_1=\frac{q}{C}$. Tiếp tục tích điện thêm cho tụ điện tới điện tích $q_2=q_1+\mathrm{\Delta }q$ bởi hiệu điện thế $U_2=\frac{q_1+\mathrm{\Delta }q}{C}$.

Công của nguồn điện dịch chuyển một điện tích nhỏ $\mathrm{\Delta }q$ từ bản cực này tới bản cực kia bằng $\mathrm{\Delta }A=Fd=\mathrm{\Delta }q\mathrm{.}Ed=\mathrm{\Delta }q\mathrm{.}U$.

Khi điện tích $\mathrm{\Delta }q$ rất nhỏ, ta có thể coi U là trung bình cộng của $U_1$ và $U_2$: vì vậy $\mathrm{\Delta }A=\frac{U_1+U_2}{2}\mathrm{\Delta }q$ chính bằng diện tích hình thang ABGD.

Công để tích điện cho tụ điện đến điện tích Q bằng tổng các điện tích nhỏ $\mathrm{\Delta }q$ là A bằng tổng các công nhỏ $\mathrm{\Delta }A$ hay tổng các diện tích hình thang tương ứng. Công A mà nguồn điện thực hiện chính bằng diện tích hình tam giác OQM: $A=\frac{QU}{2}$.

Vậy năng lượng của tụ điện khi được tích điện với điện tích Q:

Ở đây điện tích Q đơn vị là Coulomb; Hiệu điện thế U đơn vị là Vôn; Điện dung C đơn vị là fara; năng lượng W có đơn vị là jun.

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

Tích trữ năng lượng là chức năng quan trọng nhất của tụ điện và được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện như động cơ xe máy, máy hàn dùng công nghệ phóng điện của tụ (Hình 21.10), mạch khuếch đại,... Ngoài ra, tụ điện còn có một số chức năng khác nữa lưu trữ điện tích, lọc dòng điện một chiều không cho đi qua mà chỉ cho dòng điện xoay chiều đi qua,...

Xe điện là xu hướng phát triển trong tương lai. Pin là một trong những yếu tố quan trọng của tất cả các dòng xe điện. Khi pin được nạp đầy, xe có thể di chuyển được quãng đường hàng trăm kilômét, giúp bảo vệ môi trường, chi phí vận hành xe thấp và khả năng vận hành ổn định, không phát ra tiếng ồn. Tại sao pin trong xe điện sau khi sạc lại có thể tạo ra dòng điện chạy khá lâu trong mạch kín?

• Cường độ dòng điện.

• Điện trở. Định luật Ohm.

• Nguồn điện.

• Năng lượng điện và công suất điện.