Bài 21. Tụ điện

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Tụ điện và sự tích điện

Một số tụ điện

• Tụ điện là linh kiện điện tử gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách bởi điện môi.

• Khi tích điện, hai bản mang điện tích +Q và −Q có độ lớn bằng nhau.

• Điện tích của tụ là độ lớn điện tích trên một bản.

• Tụ điện có thể tích trữ điện tích và năng lượng điện trường.

• Kí hiệu của tụ điện trong mạch điện:

1.2. Điện dung của tụ điện

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

• C đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ tại một hiệu điện thế xác định.

• Đơn vị: $\text{fara}\left(F\right);\mathrm{1\mu F}={10}^{-6}F;\mathrm{1nF}={10}^{-9}F;\mathrm{1pF}={10}^{-12}F$.

• Với tụ điện đã cho, C phụ thuộc cấu tạo và điện môi, không phụ thuộc Q và U trong giới hạn làm việc.

1.3. Ghép tụ điện nối tiếp

• Điện tích trên các tụ có cùng độ lớn:

$$\mathrm{Q=}{Q}_1=Q_2\mathrm{=\dots =}{Q}_n$$

• Hiệu điện thế:

$$\mathrm{U=}{U}_1+U_2\mathrm{+\dots +}{U}_n$$

$$\frac{1}{C_{\mathrm{nt}}}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}\mathrm{+\dots }\frac{1}{C_n}$$

• $C_{\mathrm{nt}}$ nhỏ hơn điện dung nhỏ nhất của các tụ thành phần.

1.4. Ghép tụ điện song song

• Hiệu điện thế trên các tụ bằng nhau:

$$\mathrm{U=}{U}_1=U_2\mathrm{=\dots =}{U}_n$$

• Điện tích của bộ:

$$\mathrm{Q=}{Q}_1+Q_2\mathrm{+\dots +}{Q}_n$$

$$C_{\mathrm{ss}}=C_1+C_2\mathrm{+\dots +}{C}_n$$

• $C_{\mathrm{ss}}$ lớn hơn từng điện dung thành phần.

1.5. Năng lượng của tụ điện
$$W=\frac{1}{2}\mathrm{QU}=\frac{Q^2}{2C}=\frac{1}{2}C{U}^2$$

• Năng lượng được tích trữ trong điện trường giữa hai bản tụ.

• Đơn vị năng lượng là jun (J).

• Khi tụ phóng điện, năng lượng được truyền cho mạch ngoài.

1.6. Ứng dụng và giới hạn làm việc

• Tụ điện dùng trong bộ lọc nguồn, mạch tạo xung, đèn flash, khởi động động cơ và nhiều thiết bị điện tử.

• Điện áp ghi trên vỏ tụ là giới hạn làm việc an toàn; vượt quá có thể làm đánh thủng điện môi.

• Tụ điện có thể còn điện tích sau khi ngắt nguồn, cần xả tụ đúng cách trước khi thao tác.

2. Hiểu sâu bản chất

💡 Điện dung lớn nghĩa là cùng một điện áp, tụ tích được nhiều điện tích hơn.

💡 Ghép nối tiếp làm giảm điện dung tương đương nhưng có thể phân chia điện áp trên nhiều tụ.

💡 Ghép song song làm tăng điện dung tương đương và tăng điện tích toàn bộ ở cùng điện áp.

💡 Năng lượng tỉ lệ với $U^2$ nên tăng điện áp làm năng lượng tăng rất nhanh.

3. Ghi nhớ nhanh

• $C=Q/U$.

• Nối tiếp: Q bằng nhau; $1/C$ cộng.

• Song song: U bằng nhau; C cộng.

• $W=\frac{1}{2}C{U}^2$.

• Không vượt điện áp định mức.

4. Lưu ý cho học sinh

• Đổi μF, nF, pF về F khi tính theo hệ SI.

• Không nhầm công thức ghép tụ với ghép điện trở.

• Điện dung tương đương nối tiếp luôn nhỏ hơn tụ nhỏ nhất.

• Tụ đã ngắt nguồn vẫn có thể còn điện tích và gây nguy hiểm.