Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách bởi chất điện môi. Khi mắc vào nguồn điện, hai bản tụ tích điện trái dấu và có thể lưu trữ năng lượng.
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Tăng hiệu điện thế U: số điện tích trên hai bản tăng, các đường sức điện trường dày lên.
- 2Bấm "Ngắt nguồn": điện tích giữ nguyên dù không còn nguồn.
- 3Tăng điện dung C: cùng U nhưng tụ tích được nhiều điện tích hơn.
Tụ điện phẳng
- Điện tích âm trên bản
- Điện tích dương trên bản
- Đường sức điện trường E
- Dây nối nguồn
- Hiệu điện thế U
- 6 V
- Điện dung C
- 4 mF
- Điện tích Q = C·U
- 24.0 mC
- Năng lượng W = ½CU²
- 72.0 mJ
Tụ điện tích trữ điện tích Q = C·U và năng lượng W = ½CU². Giữa hai bản tụ có điện trường đều; hiệu điện thế càng lớn thì mật độ điện tích và năng lượng càng cao.
Đề bài
Tụ C = 2 μF được nạp ở hiệu điện thế 10 V. Tính điện tích và năng lượng của tụ.
Lời giải
Q = C·U = 2·10⁻⁶ · 10 = 2·10⁻⁵ C. W = ½CU² = ½·2·10⁻⁶·100 = 10⁻⁴ J.
Tụ điện quanh em
Tụ điện có ở khắp nơi, từ chiếc máy ảnh đến bo mạch điện thoại. Nó giỏi việc "nạp năng lượng từ từ rồi xả ra thật nhanh", nên được dùng ở mọi nơi cần tiết chế năng lượng.
Đèn flash của máy ảnh chớp sáng trong tích tắc
Tụ điện trong máy ảnh được nạp điện từ pin trong vài giây (pin yếu nhưng thời gian nạp dài). Khi bấm chụp, tụ phóng toàn bộ năng lượng W = ½CU² trong khoảng mili-giây tạo dòng rất lớn, làm đèn flash chói loà. Pin không thể phóng nhanh như tụ, nên phải cần tụ "trữ hộ".
Lý thuyết của bài: W = ½CU² — năng lượng tụ trữ tỉ lệ với điện dung và bình phương hiệu điện thế.
Nhấp nháy điện thoại trong túi khi có cuộc gọi
Mạch điện thoại dùng tụ điện để điều hoà dòng: tụ nạp khi dòng tăng đột ngột và xả khi dòng giảm, giữ hiệu điện thế ổn định. Sự phóng nạp này cũng gây ra dao động nhỏ trong các linh kiện, đủ để tạo tiếng "tách tách" trong loa. Tụ chính là "bộ đệm năng lượng" của mạch.
Lý thuyết của bài: Q = C·U — tụ nạp/xả điện tích liên tục để giữ U ổn định.
Điện thoại vẫn giữ giờ và cài đặt sau khi tháo pin
Trong thiết bị có một tụ điện nhỏ (hoặc pin siêu tụ) nuôi chip đồng hồ khi mất nguồn chính. Tụ này tích được một lượng điện Q = C·U rồi xả dần trong thời gian ngắn, đủ để đồng hồ không bị reset. Nhờ đó em không phải chỉnh lại giờ mỗi lần thay pin.
Lý thuyết của bài: Q = C·U — tụ trữ điện tích để cấp dòng nhỏ trong lúc mất nguồn.
Bàn phím cảm ứng điện dung hoạt động khi chạm ngón tay
Màn hình cảm ứng và bàn phím dùng các tụ điện siêu nhỏ tạo thành lưới điện cực. Khi ngón tay (vật dẫn điện) chạm vào, nó làm thay đổi điện dung C cục bộ. Mạch đo sự thay đổi đó để xác định vị trí chạm — không cần lực nhấn, chỉ cần thay đổi điện dung.
Lý thuyết của bài: Q = C·U — khi C thay đổi ở điểm chạm, điện tích Q thay đổi và mạch phát hiện được.
Đèn trong nhà nhấp nháy nhẹ khi bật công tắc lớn (quạt, điều hoà)
Khi khởi động thiết bị công suất lớn, dòng điện tăng vọt gây sụt áp tạm thời. Các tụ điện trong bộ nguồn của đèn hoạt động như "bình trữ" năng lượng, xả ra để bù lại phần sụt đó, giúp đèn đỡ nhấp nháy. Điện dung càng lớn thì khả năng "đệm" càng tốt.
Lý thuyết của bài: W = ½CU² = Q²/2C — tụ trữ năng lượng để bù các dao động ngắn của lưới điện.
Vì sao lại có công thức Q = C·U và W = ½CU²?
Trực giác:Tụ điện giống như một "bình chứa điện tích": với cùng một hiệu điện thế, bình nào to hơn (điện dung C lớn hơn) thì chứa được nhiều điện tích hơn. Nạp điện cho tụ cũng giống như bơm nước vào bình — càng bơm nhiều thì càng tốn công, nên năng lượng phải tính đến độ "căng" của tụ.
- 1Thực nghiệm: với một tụ xác định, điện tích Q trên mỗi bản tỉ lệ thuận với hiệu điện thế U đặt vào. Tỉ số Q/U là một hằng số — đó chính là điện dung C.
- 2Từ định nghĩa C = Q/U suy ra ngay Q = C·U: cùng một U, tụ có C lớn hơn sẽ tích được nhiều điện tích hơn.
- 3Nạp tụ từ 0 đến U, hiệu điện thế tăng dần từ 0. Công cần thực hiện để đẩy thêm điện tích dq ở điện thế u là dW = u·dq, với dq = C·du.
- 4Lấy tổng (tích phân) từ u = 0 đến U: W = ∫C·u·du = ½CU². Vì Q = CU, công thức cũng viết được thành W = Q²/2C.
- 5Kiểm chứng: tụ C = 2 μF nạp ở U = 10 V có Q = 2·10⁻⁵ C và W = ½·2·10⁻⁶·100 = 10⁻⁴ J — khớp với giá trị trong bài.
Ý nghĩa: Q = C·U đến từ việc điện tích tỉ lệ thuận với hiệu điện thế, còn W = ½CU² đến từ việc hiệu điện thế tăng dần trong lúc nạp nên năng lượng chỉ bằng một nửa giới hạn CU·U. Hệ số ½ chính là "dấu vết" của quá trình nạp từ từ, là điểm khó nhưng rất quan trọng của bài tụ điện.