Bài 14: Tụ điện

1. ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG

Những vật được cấu tạo từ các chất chứa ít hoặc không có hạt mang điện tự do, không cho điện tích chạy qua được gọi là điện môi hay vật cách điện. Ví dụ: nhựa, cao su, sứ, thuỷ tinh,... Khi tích điện cho khối điện môi, điện tích dư sẽ nằm ngay tại vị trí được đưa vào.

Khi điện môi được đặt vào một vùng không gian có điện trường, mỗi nguyên tử của điện môi bị phân cực và làm cho cả khối điện môi bị phân cực với hai mặt tích điện trái dấu nhau như Hình 14.2. Điều này dẫn đến điện trường tổng hợp bên trong khối điện môi có độ lớn nhỏ hơn cường độ điện trường ngoài.

Mỗi chất điện môi được đặc trưng bởi hằng số điện môi, kí hiệu là ϵ. Hằng số điện môi và điện trường giới hạn của một số chất điện môi được cho trong Bảng 14.1.

2. TỤ ĐIỆN

Khái niệm tụ điện

Tụ điện là một linh kiện điện tử được sử dụng trong các mạch điện của máy thu thanh, máy tính và các thiết bị điện tử khác. Tụ điện có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau (Hình 14.3). Vai trò của tụ điện là tích điện và phóng điện trong mạch.

Tụ điện là một hệ gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện. Mỗi vật dẫn được gọi là một bản của tụ điện (Hình 14.4).

Dựa vào hình dạng của tụ điện, người ta chia tụ điện thành các loại: tụ điện phẳng, tụ điện trụ và tụ điện cầu.

Ngoài ra, tụ điện còn có thể được phân loại dựa vào môi trường điện môi bên trong tụ: tụ không khí, tụ giấy, tụ mica,.... Trong các sơ đồ mạch điện, tụ điện thường được kí hiệu như Hình 14.5.

Khi nói hai bản của tụ điện vào hai cực của nguồn điện như Hình 14.4, hai bản này sẽ tích điện bằng nhau về độ lớn nhưng trái dấu. Đây là quá trình nạp điện (hay tích điện) cho tụ.

Khi nói hai bản của tụ điện đã được nạp điện với một điện trở, một dòng điện sẽ xuất hiện và chạy qua điện trở làm điện tích của tụ giảm dần. Đây là quá trình phóng điện (hay xả điện) của tụ.

Điện dung của tụ điện

Khi nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện có hiệu điện thế U, một bản của tụ sẽ có điện tích Q, bản còn lại có điện tích - Q. Độ lớn điện tích Q trên mỗi bản của tụ điện khi đã tích điện được gọi là điện tích của tụ điện. Khi nối hai bản của các tụ điện khác nhau vào cùng nguồn I điện có hiệu điện thế U, điện tích của các tụ khác nhau là khác nhau.

Các khảo sát thực nghiệm chứng tỏ, đối với một tụ điện xác định được nối vào nguồn điện, khi thay đổi hiệu điện thế U thì điện tích Q của tụ điện cũng thay đổi. Tuy nhiên, tỉ số \(\dfrac{Q}{U}\) là một hằng số. Thực hiện khảo sát tương tự nhưng cho các tụ điện khác nhau, tỉ số \(\dfrac{Q}{U}\) có giá trị không đổi U tương ứng với từng tụ điện. Mặt khác, tỉ số \(\dfrac{Q}{U}\) đối với các tụ điện khác nhau là khác nhau. Vậy tỉ số \(\dfrac{Q}{U}\) đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ.

Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ, kí hiệu là C và được xác định bởi:

\(C=\dfrac{Q}{U}\)   (14.1)

Trong hệ SI, điện dung có đơn vị là fara (F).

Từ công thức (14.1), ta thấy 1 F là điện dung của một tụ điện mà khi đặt vào giữa hai bản tụ điện một hiệu điện thế 1 V thì điện tích được tích trên tụ là 1 C.

Thông thường, các tụ điện có điện dung rất nhỏ, cỡ từ 10^-12 F đến  10^-6 F. Vì vậy, ta thường dùng các ước của fara:

1 microfarad (μF) = 10^-6 F

1 nanomet (nF) = 10^-9 F

1 picofara (pF) = 10^-12 F

Mỗi tụ điện đều có một giá trị hiệu điện thế giới hạn. Đó là hiệu điện thế tối đa mà tụ có thể chịu được. Nếu vượt quá giá trị này, tụ điện sẽ bị hỏng. Thông thường, trên vỏ của tụ điện thường ghi giá trị điện dung và hiệu điện thế giới hạn của tụ.

Lưu ý: Điện dung của một tụ điện xác định chỉ phụ thuộc vào cấu tạo của tụ điện (dạng hình học của hai bản tụ, vị trí tương đối giữa chúng và môi trường điện môi bên trong tụ) mà không phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai bản tụ.

3. GHÉP TỤ ĐIỆN

Trong kĩ thuật, để tạo ra tụ điện với điện dung thích hợp, người ta thường ghép các tụ điện thành bộ tụ. Có hai cách ghép cơ bản: ghép nối tiếp và ghép song song.

Bộ tụ ghép nối tiếp

Hình 14.7 mô tả sơ đồ ghép nối tiếp tụ điện. Trong trường hợp này, bản tích điện dương của tụ điện này được nối với bản tích điện âm của tụ điện sát bên. Bản thứ nhất của tụ điện đầu tiên được nối với một cực, bản thứ hai của tụ điện cuối cùng được nối với cực còn lại của nguồn điện.

Gọi U là hiệu điện thế đặt vào hai đầu của bộ tụ điện; \(U_1,U_2,...,U_n\) lần lượt là hiệu điện thế giữa hai đầu tụ điện \(C_1,C_2,...,C_n\). Ta có:

\(U=U_1+U_2+...+U_n\)   (14.3)

Gọi \(C_b\) là điện dung của bộ tụ điện; \(Q,Q_1,Q_2,...,Q_n\) lần lượt là độ lớn điện tích của cả bộ tụ điện và các tụ điện \(C_1,C_2,...,C_n\) Kết hợp hai công thức (14.3) và (14.1), ta có:

\(\dfrac{Q}{C_b}=\dfrac{Q_1}{C_1}+\dfrac{Q_2}{C_2}+...+\dfrac{Q_n}{C_n}\)   (14.4)

Nếu các tụ điện lúc đầu chưa được tích điện, thì điện tích các bản tụ điện mắc nối tiếp sau khi được nối với nguồn sẽ bằng nhau và bằng điện tích của cả bộ tụ điện \(Q=Q_1=Q_2=...=Q_n\).

Điện dung của bộ tụ điện ghép nối tiếp được xác định:

\(\dfrac{1}{C_b}=\dfrac{1}{C_1}+\dfrac{1}{C_2}+...+\dfrac{1}{C_n}\)   (14.5)

Bộ tụ ghép song song

Hình 14.8 mô tả sơ đồ ghép tụ điện song song. Trong trường hợp này, các tụ điện được mắc vào cùng một hiệu điện thế U. Gọi \(U_1,U_2,...,U_n\) lần lượt là hiệu điện thế đặt vào hai đầu các tụ điện \(C_1,C_2,...,C_n\). Ta có:

\(U=U_1=U_2=...=U_n\)   (14.6)

Gọi Q là điện tích của bộ tụ điện; \(Q,Q_1,Q_2,...,Q_n\) lần lượt là độ lớn điện tích các tụ điện \(C_1,C_2,...,C_n\). Do một bản của mỗi tụ điện cùng được ghép vào cực dương của nguồn nên:

\(Q=Q_1+Q_2+...+Q_n\)   (14.7)

Điện dung của bộ tụ điện ghép song song được xác định:

\(C_b=C_1+C_2+...+C_n\)   (14.8)