Lý thuyết tụ điện

Tụ điện là một thành phần điện tử quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các mạch lọc, mạch dao động và mạch truyền dẫn tín hiệu xoay chiều. Tụ điện là một trong những thành phần thông dụng mà chúng ta thường gặp trong đời sống hàng ngày.

Tụ điện là gì? Các loại tụ điện, công dụng và nguyên lý hoạt động của tụ điện như thế nào? Mời các bạn hãy cùng theo dõi bài viết dưới đây. Qua tài liệu này, bạn sẽ hiểu rõ về tụ điện, từ đó có thể học tốt môn Vật lí 11 và áp dụng kiến thức vào thực tiễn.

1. Tụ điện là gì?

- Tụ điện là một cấu trúc hai dẫn trên gần nhau và được tách bởi một lớp cách điện. Mỗi dẫn trên được gọi là một tấm của tụ điện.

- Dùng để lưu trữ điện tích.

- Loại tụ điện phổ biến được sử dụng là tụ điện phẳng. Cấu trúc của tụ điện phẳng bao gồm hai tấm kim loại phẳng đặt song song với nhau và được ngăn cách bởi một lớp cách điện.

2. Phương pháp tích điện cho tụ điện.

- Để tích điện cho tụ điện, người ta kết nối hai tấm của tụ điện với hai cực của nguồn điện.

- Tấm kết nối cực dương sẽ tích điện dương, tấm kết nối cực âm sẽ tích điện âm.

- Điện tích trên mỗi tấm của tụ điện sau khi tích điện được gọi là điện tích tụ điện.

3. Công dụng của tụ điện

Tác dụng chính của tụ điện là lưu trữ năng lượng điện và điện tích một cách hiệu quả. Nó tương đương với khả năng lưu trữ của ắc qui nhưng không tiêu hao năng lượng điện.

Bên cạnh đó, tụ điện còn có khả năng dẫn điện cho điện áp xoay chiều, hoạt động như một loại điện trở đa năng. Đặc biệt, khi tần số điện xoay chiều tăng cao (giá trị điện dung của tụ càng lớn), dung kháng của nó càng thấp, hỗ trợ trong việc truyền điện áp xoay chiều qua tụ điện.

Hơn nữa, nhờ nguyên lý hoạt động thông minh, tụ điện có khả năng nạp và xả điện, ngăn chặn điện áp một chiều, cho phép điện áp xoay chiều lưu thông, giúp truyền tín hiệu giữa các tầng khuyếch đại với chênh lệch điện thế.

Tụ điện cũng có vai trò trong việc lọc điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều bằng cách loại bỏ thành phần âm.

4. Các loại tụ điện

+ Tên của tụ điện thường được đặt theo loại điện môi sử dụng: tụ không khí, tụ giấy, tụ mica, tụ sứ, tụ gốm,...

+ Có tụ điện có thể thay đổi điện dung (còn gọi là tụ xoay).

5. Nguyên lý hoạt động của tụ điện

Nguyên lý phóng nạp của tụ điện là khả năng tích trữ năng lượng điện dưới dạng điện trường, tương tự như một ắc qui nhỏ. Tụ điện lưu trữ hiệu quả các electron và phóng ra các điện tích này để tạo ra dòng điện, nhưng không thể tự sinh ra các electron. Điều này là điểm khác biệt lớn giữa tụ điện và ắc qui.

Nguyên lý nạp xả của tụ điện là tính chất đặc trưng và là điều cơ bản trong cách hoạt động của tụ điện. Nhờ tính chất này mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều.

Nếu điện áp trên hai bản mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian khi ta cắm nạp hoặc xả tụ, rất dễ gây ra hiện tượng nổ có tia lửa điện do dòng điện tăng vọt. Đây là nguyên lý nạp xả của tụ điện khá phổ biến.

6. Điện dung của tụ điện

Điện tích Q mà một tụ điện tích được tỉ lệ thuận với hiệu điện thế U đặt giữa hai bản của nó.

Đại lượng C được gọi là điện dung của tụ điện. Điện dung này cho biết khả năng tích điện của tụ ở một hiệu điện thế nhất định. Dưới hiệu điện thế U nhất định, tụ có điện dung C sẽ tích được điện tích Q lớn.

Vậy, điện dung của tụ điện được xác định bằng tỉ lệ giữa điện tích của tụ và hiệu điện thế giữa hai bản của nó.

7. Đơn vị điện dung

Trong công thức (6.1), nếu Q được đo bằng đơn vị Coulomb (C) và U được đo bằng đơn vị Volt (V), thì điện dung C được đo bằng đơn vị farad (kí hiệu là F).

Fara là đơn vị điện dung của một tụ điện, khi đặt giữa hai bản của nó với hiệu điện thế là 1 Volt, nó tích được điện tích là 1 Coulomb.

Các tụ điện thường có điện dung từ 10^-12 F đến 10^-6 F. Vì vậy, chúng ta sử dụng các đơn vị sau:

1 microfarad (kí hiệu là μF) = 1.10^-6 F.

1 nanofarad (kí hiệu là nF) = 1.10^-9 F.

1 pico-farad (kí hiệu là pF) = 1.10^-12 F.

8. Năng lượng của điện trường trong tụ điện

Công thức tính năng lượng của điện trường trong tụ điện được chứng minh như sau: