Tụ điện là một linh kiện điện tử quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều mạch điện khác nhau. Việc nắm vững Công Thức điện Tích Của Tụ điện là rất cần thiết để hiểu rõ nguyên lý hoạt động và ứng dụng của chúng.
1. Định nghĩa tụ điện và điện dung
Tụ điện là một hệ thống gồm hai vật dẫn (thường là các tấm kim loại) đặt gần nhau và được ngăn cách bởi một lớp điện môi (vật liệu cách điện). Chức năng chính của tụ điện là tích trữ năng lượng điện dưới dạng điện trường.
Điện dung (ký hiệu là C) là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện. Nó được định nghĩa là tỷ số giữa điện tích Q mà tụ điện tích được và hiệu điện thế U giữa hai bản tụ.
2. Công thức điện tích của tụ điện
Công thức cơ bản và quan trọng nhất liên quan đến điện tích của tụ điện là:
Q = C * U
Trong đó:
- Q là điện tích của tụ điện, đơn vị là Coulomb (C).
- C là điện dung của tụ điện, đơn vị là Farad (F).
- U là hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện, đơn vị là Volt (V).
Công thức này cho thấy điện tích mà tụ điện tích lũy được tỉ lệ thuận với điện dung của tụ và hiệu điện thế đặt vào hai bản tụ.
3. Các công thức liên quan và mở rộng
Từ công thức gốc Q = C * U, ta có thể suy ra các công thức để tính điện dung C và hiệu điện thế U khi biết các đại lượng còn lại:
- C = Q / U
- U = Q / C
Các công thức này rất hữu ích trong việc giải các bài toán liên quan đến tụ điện.
4. Ghép tụ điện
Trong thực tế, người ta thường ghép nhiều tụ điện lại với nhau để tạo thành bộ tụ điện có điện dung tương đương theo yêu cầu. Có hai cách ghép tụ điện cơ bản là ghép nối tiếp và ghép song song.
- Ghép nối tiếp:
Trong mạch ghép nối tiếp, các tụ điện được mắc liên tiếp nhau. Điện tích trên mỗi tụ điện là như nhau và bằng điện tích của bộ tụ: Q = Q1 = Q2 = … = Qn. Hiệu điện thế giữa hai đầu bộ tụ bằng tổng hiệu điện thế trên mỗi tụ: UAB = U1 + U2 + … + Un. Điện dung tương đương của bộ tụ được tính theo công thức:
1/C = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn
- Ghép song song:
Trong mạch ghép song song, các tụ điện được mắc song song với nhau. Hiệu điện thế trên mỗi tụ điện là như nhau và bằng hiệu điện thế của bộ tụ: UAB = U1 = U2 = … = Un. Điện tích của bộ tụ bằng tổng điện tích trên mỗi tụ: Q = Q1 + Q2 + … + Qn. Điện dung tương đương của bộ tụ được tính theo công thức:
C = C1 + C2 + … + Cn
5. Điện dung của tụ điện phẳng
Tụ điện phẳng là loại tụ điện có cấu tạo đơn giản, gồm hai bản kim loại phẳng song song, cách nhau một khoảng d và có diện tích đối diện S. Điện dung của tụ điện phẳng được tính theo công thức:
C = (ε ε0 S) / d
Trong đó:
- S là diện tích đối diện giữa hai bản tụ, đơn vị là m².
- d là khoảng cách giữa hai bản tụ, đơn vị là m.
- ε là hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản tụ (ví dụ: ε = 1 đối với không khí hoặc chân không).
- ε0 là hằng số điện môi của chân không, có giá trị khoảng 8.854 × 10⁻¹² F/m.
6. Các bài toán thường gặp về tụ điện
-
Tụ điện nối vào nguồn điện: Khi tụ điện được nối vào nguồn điện, hiệu điện thế giữa hai bản tụ bằng hiệu điện thế của nguồn (U = const). Khi đó, nếu điện dung của tụ thay đổi (ví dụ, do thay đổi khoảng cách giữa hai bản hoặc đưa thêm chất điện môi vào), điện tích trên tụ cũng sẽ thay đổi theo công thức Q = C * U.
-
Tụ điện ngắt khỏi nguồn điện: Khi tụ điện đã tích điện và ngắt khỏi nguồn, điện tích trên tụ được bảo toàn (Q = const). Khi đó, nếu điện dung của tụ thay đổi, hiệu điện thế giữa hai bản tụ cũng sẽ thay đổi theo công thức U = Q / C.
