SGK Vật Lí 11 - Bài 6. Tụ điện
Tụ ĐIỆN Trong quạt điện, tivi, tú lạnh, stăcte của đèn ống,:., ta thường thấy có tụ điện. Vậy tụ điện là gì ? Ảnh chụp một số loại tụ điện Sau khi tích điện cho tụ điện, nếu nối hai bản bằng một dây dẫn thì sẽ xảy ra hiện tượng gì ? - TỤ ĐIỆN Tụ điện là gì ? Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện. Tụ điện dùng -để chứa điện tích. Tụ điện là dụng cụ được dùng phổ biến trong các mạch điện xoay chiều và các mạch vô tuyến điện. Nó có nhiệm vụ tích và phóng điện trong mạch điện. Tụ điện được dùng phổ biến là tụ điện phẳng. Cấu tạo của tụ điện phảng gồm hai bản kim loại phẳng đặt song song với nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp điện môi. Hai bản kim loại này gọi là hai bản của tụ điện. Trong thực tế, hai bản'kim loại thường là hai tấm giấy thiếc, kẽm hoặc nhôm ; lớp điện môi là lớp giấy tẩm một chất cách điện như parafin. Hai bản và lớp cách điện được cuộn lại và đặt trong một vỏ bằng kim loại (Hình 6.1 và 6.2). Trong mạch điện, tụ điện được biểu diễn bằng kí hiệu vẽ trên Hình 6.3. Muốn tích điện cho tụ điện, người ta nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện (Hình 6.4). Bản nối với cực dương sẽ tích điện dương, bản nối với cực âm sẽ tích điện âm. Vì hai bản tụ điện rất gần nhau, nên do có sự nhiễm điện do hưởng ứng, điện tích của hai bản bao giờ cũng có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu. Ta gọi điện tích của bản dương là điện tích của tụ điện. - ĐIỆN DUNG CỦA TỤ ĐIỆN Định nghĩa Dùng một nguồn có hiệu điện thế nhất định để tích điện cho một số tụ điện khác nhau. Ta sẽ thấy độ lớn của điện tích mà chúng tích được cũng khác nhau. Như vậy khả năng tích điện của các tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định lâ khác nhau. Mặt khác, người ta đã chứng minh được chặt chẽ bằng lí thuyết là : Điện tích Q mà một tụ điện nhất định tích được tỉ lệ thuận với hiệu điện thếu đặt giữa hai bản của nó. Q = cu hay c=| (6.1) Đại lượng c gọi là điện dung của tụ điện. Nó đặc trưng cho khả hăng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định. Thật vậy, dưới một hiệu điện thế u nhất định, tụ có điện dung c lớn sẽ tích được điện tích Q lớn. Vậy : .Điện dùng của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thê nhất định. Nó được xác định bằng thượng sô của điện tích của tụ điện và hiệu điện thè giữa hai. bản của nó. Đơn vị điện dung Trong công thức (6.1), nếu Q đo bằng đơn vị culông (C), u đo bằng đơn vị vôn (V) thì c đo bằng đơn vị fara (kí hiệu là F). Fara là điện dung của một tụ điện mà nếu đặt giữa hai ban của nó hiệu điện thế 1 V thì nó tích được điện tích 1 c. Các tụ điện thường dùng chỉ có điện dung từ 10“12 F đến 10“6 F. Vì vậy, ta thường dùng các ước của fara : 1 micrôíarà (kí hiệu là flF) = 1.10“6 F 1 nanofara (kí hiệu là nF) - 1.10“9F 1 picôíara (kí hiệu là pF) = 1.10“12 F. 3.1 + + + • +AQ - - + • + - + a) Mô hình cấu tạo b) Ảnh chụp một tụ xoay Hình 6.5 Tụ xoay Hình 6.6 Các loại tụ điện Người ta thường lấy tên của lớp điện môi để đặt tên cho tụ điện : tụ không khí, tụ giấy, tụ mica, tụ sứ, tụ gốm,... Trên vỏ của mỗi tụ điện thường có ghi cặp số liệu, chẳng hạn như 10 pF - 250 V. Số liệu thứ nhất cho biết điện dung của tụ. Số liệu thứ hai là giá trị giới hạn của hiệu điện thế có thể đặt vào hai cực của tụ. Vượt qua giới hạn đó, tụ điện có thể bị hỏng. Người ta còn chế tạo tụ điện có điện dung thay đổi được (còn gọi là tụ xoay). Tụ xoay có một bản cố định (thực ra là một hệ thống bản) hình bán nguyệt và một bản linh động cũng hình bán nguyệt. Bản linh động có thể quay quanh một trục vuông góc với bản cố định tại tâm (Hình 6.5). Khi xoay bản linh động, diện tích của phần đối diện giữa hai bản sẽ thay đổi làm cho điện dung của tụ điện thay đổi. Năng lượng của điện trường trong tụ điện Khi tụ điện được tích điện thì giữa hai bản của tụ điện sẽ có một điện trường. Nếu ta tưởng tượng cho một lượng điện tích nhỏ + AQ di chuyển theo một dây dẫn từ bản dương sang bản âm (Hình 6.6) thì điện trường sẽ sinh công. Dây dẫn sẽ nóng lên chút ít. Đến bản âm thì điện tích + AQ sẽ trung hoà bớt một lượng điện tích âm là -AQ. Điện tích của tụ điện bị giảm đi một lượng AQ. Nếu cứ tiếp tục làm như trên thì sẽ đến lúc tụ điện hết điện. Điện trường sẽ triệt tiêu. Toàn bộ công mà điện trường sinh ra đã làm tăng nội năng của dây dẫn. Năng lượng này do điện trường cung cấp. Vậy, khi tụ điện tích điện thì điện trường trong tụ điện sẽ dự trữ một năng lượng. Đó là năng lượng điện trường. Người ta đã chứng minh được công thức tính năng lượng của điện trường trong tụ điện : 2C Tụ điện là dụng cụ thường dùng để tích và phóng điện trong mạch điện, cấu tạo của tụ điện phẳng gồm hai bản kim loạiphẳng đặt song song với nhau và ngăn cách nhau bằng lớp điện môi. BIK Đi Điện dung của tụ điện đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thê nhất định. Đơn vị điện dung là fara (F). Khi tụ điện tích điện thì điện trường trong tụ điện sẽ dự trữ một năng lượng. Đó là năng lượng điện trường. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Bỉ Tụ điện là gì ? Tụ điện phẳng có cấu tạo như thế nào ? Làm thế nào để tích điện cho tụ điện ? Người ta gọi điện tích của tụ điện là điện tích của bản nào ? Điện dung của tụ điện là gì ? Năng lượng của một tụ điện tích điện là dạng năng lượng gì ? ▼ Gọi Q, c và u là điện tích, điện dung và hiệu điện thế giữa hai bản của một tụ điện. Phát biểu nào dưới đây là đúng ? c tỉ lệ thuận với Q. c tỉ lệ nghịch với u. c. c phụ thuộc vào Q và u. D. c không phụ thuộc vào Q và u. Trong trường hợp nào dưới đây, ta không có một tụ điện ? Giữa hai bản kim loại là một lớp mica. nhựa pôliêtilen. c. giấy tẩm dung dịch muối ăn. D. giấy tẩm parafin. Trên vỏ một tụ điện có ghi 20 pF - 200 V. Nối hai bản của tụ điện với một hiệu điện thế 120 V. Tính điện tích của tụ điện. Tính điện tích tối đa mà tụ điện tích được. 8*. Tích điện cho một tụ điện có điện dung 20 |iF dưới hiệu điện thế 60 V. Sau đó tháo tụ điện ra khỏi nguồn. Tính điện tích q của tụ. Tính công mà điện trường trong tụ điện sinh ra khi phóng điện tích Ag = 0,001 g từ bản dương sang bản âm. Xét lúc điện tích của tụ điện chỉ còn bằng — Tính công mà. điện trường trong tụ điện sinh ra khi phóng điện tích Ag như trên từ bản. dương sang bản âm lúc đó.