Cấu tạo · Điện dung · Ghép tụ điện · Năng lượng điện trường
Nêu được cấu tạo, nguyên tắc tích điện và phóng điện; định nghĩa điện dung, nhận biết kí hiệu và thông số trên vỏ tụ; vận dụng công thức cho bộ tụ mắc nối tiếp, song song và tính năng lượng tụ điện.
Tính điện tích, điện dung, điện áp trên mỗi tụ, điện tích tối đa và năng lượng; đọc sơ đồ ghép; giải thích ứng dụng trong máy ảnh, đèn flash và mạch điện.
Tụ điện gồm hai vật dẫn (hai bản tụ) đặt gần nhau, ngăn cách bởi một lớp cách điện gọi là điện môi. Khi nối vào nguồn điện một chiều, hai bản tích điện trái dấu có độ lớn bằng nhau; Q là độ lớn điện tích trên một bản, không phải tổng đại số của hai bản. Tụ điện có thể nạp và phóng điện.
Sơ đồ nguyên lí minh họa hai bản tụ; vùng giữa hai bản là điện môi. Không nối tắt trực tiếp hai cực nguồn.
Điện dung đặc trưng cho khả năng tích điện khi đặt một hiệu điện thế giữa hai bản; với tụ tuyến tính, C do cấu tạo và điện môi quyết định, không tăng chỉ vì U tăng.
| Kí hiệu | Ý nghĩa – đơn vị |
|---|---|
| C | Điện dung, fara (F) |
| Q | Độ lớn điện tích trên một bản, culông (C) |
| U | Độ lớn hiệu điện thế giữa hai bản, vôn (V) |
Điều kiện: Tụ điện lý tưởng tuyến tính; U khác 0; Q và U lấy độ lớn.
Trên thân tụ thường ghi điện dung và điện áp làm việc tối đa. Ví dụ 2 μF – 200 V: Q tối đa bằng 400 μC, chỉ khi không vượt 200 V.
| Kí hiệu | Ý nghĩa – đơn vị |
|---|---|
| Q_{\max} | Độ lớn điện tích cực đại, C |
| U_{\max} | Điện áp làm việc tối đa theo thông số, V |
Điều kiện: Không được đặt U lớn hơn Umax; còn cần xét phân cực, nhiệt độ, loại tụ ở ứng dụng thực tế.
Đổi đơn vị: 1 μF = 10−6 F; 1 nF = 10−9 F; 1 pF = 10−12 F. Trong tính nhẩm: Q(μC)=C(μF)×U(V).
Hai sơ đồ thường dùng:
Các tụ nối tiếp chưa tích điện trước khi mắc nguồn có độ lớn điện tích như nhau Q=Q₁=Q₂=...; tổng hiệu điện thế bằng tổng điện áp trên từng tụ. Với hai tụ: Cb=C₁C₂/(C₁+C₂).
| Kí hiệu | Ý nghĩa – đơn vị |
|---|---|
| C_b | Điện dung tương đương, F |
| Q_i | Độ lớn điện tích bản tụ thứ i, C |
| U_i | Điện áp trên tụ thứ i, V |
Điều kiện: Tụ ban đầu chưa tích điện và nối tiếp lí tưởng, không có nhánh phụ tại nút giữa; xét cùng quy ước cực tính.
Tụ có điện dung nhỏ hơn chịu điện áp lớn hơn khi ghép nối tiếp (nếu điện tích bằng nhau). Phải so sánh từng Uᵢ với Umax,i.
| Kí hiệu | Ý nghĩa – đơn vị |
|---|---|
| Q | Điện tích chung của bộ tụ, C |
| U_i | Điện áp trên tụ thứ i, V |
Điều kiện: Các tụ nối tiếp chưa tích điện ban đầu, đã đạt cân bằng tĩnh; không dùng cho tụ đã nạp sẵn mà không xét điện tích nút.
Các tụ ghép song song có cùng điện áp U=U₁=U₂=..., điện tích mỗi tụ Qᵢ=CᵢU. Tụ nào có điện áp định mức thấp nhất thường giới hạn điện áp đặt vào bộ.
| Kí hiệu | Ý nghĩa – đơn vị |
|---|---|
| C_b | Điện dung tương đương, F |
| Q | Tổng độ lớn điện tích trên các bản cùng cực, C |
Điều kiện: Các tụ mắc song song cùng cực tính vào một nguồn điện áp không vượt định mức từng tụ.
Năng lượng của tụ tích điện là năng lượng điện trường, luôn không âm; tăng bốn lần nếu tăng gấp đôi U mà giữ nguyên C.
| Kí hiệu | Ý nghĩa – đơn vị |
|---|---|
| W | Năng lượng, jun (J) |
| C | Điện dung, F |
| U | Độ lớn hiệu điện thế, V |
Điều kiện: Tụ điện lí tưởng, điện dung không đổi. Khi dùng μF, V: W(mJ)=C(μF)×U²/2000.
Tùy dữ kiện biết Q, C hay U, chọn biểu thức thuận tiện và đổi đơn vị đúng.
| Kí hiệu | Ý nghĩa – đơn vị |
|---|---|
| Q | Độ lớn điện tích trên một bản tụ, C |
| C | Điện dung, F |
| U | Hiệu điện thế, V |
Điều kiện: Q=CU; chỉ áp dụng tụ tuyến tính có C không đổi.
Kiểm tra từng tụ. Với ghép song song, mọi tụ cùng U; với ghép nối tiếp, tính Uᵢ=Q/Cᵢ trước khi đánh giá.
| Kí hiệu | Ý nghĩa – đơn vị |
|---|---|
| U_i | Điện áp thực tế trên tụ thứ i, V |
| U_{\max,i} | Điện áp tối đa cho phép của tụ thứ i, V |
Điều kiện: Điện áp định mức không phải mức đảm bảo an toàn tuyệt đối; trong thực tế cần dự phòng, đặc tính linh kiện và độ phân cực.
Một tụ 2 μF – 200 V đặt ở 36 V.
Giải. Q=CU=2×36=72 μC; Qmax=2×200=400 μC; 36<200 V nên không vượt điện áp ghi trên tụ.
Tụ C=470 nF đặt ở U=12 V, hỏi Q (μC).
Giải. 470 nF=0,47 μF; Q=0,47×12=5,64 μC.
Hai tụ chưa tích điện ban đầu có C₁=3 μF, C₂=6 μF mắc nối tiếp vào U=18 V.
Giải. Cb=3×6/(3+6)=2 μF; Q=2×18=36 μC; U₁=36/3=12 V, U₂=36/6=6 V.
Hai tụ C₁=2 μF, C₂=5 μF song song vào U=20 V.
Giải. Cb=7 μF; Q₁=40 μC; Q₂=100 μC; Q=140 μC.
Tụ C=4 μF tích điện đến U=100 V.
Giải. W=0,5×4×10⁻⁶×100²=0,02 J=20 mJ.
Tụ C không đổi, U tăng từ 20 lên 60 V.
Giải. W₂/W₁=(60/20)²=9. Năng lượng tăng 9 lần.
C₁=2 μF – 100 V và C₂=4 μF – 50 V nối tiếp, chưa tích điện ban đầu; U=120 V.
Giải. Cb=4/3 μF; Q=160 μC; U₁=80 V≤100 V, U₂=40 V≤50 V: cả hai chưa vượt định mức. Không kết luận từ tổng 100+50 V nếu chưa xét chia áp.
C₁=2 μF – 50 V và C₂=3 μF – 100 V ghép song song, U=60 V.
Giải. Cả hai đều chịu 60 V: tụ 1 vượt 50 V nên phương án mắc không được phép dù tụ 2 còn dưới định mức.
Thí nghiệm dùng mô hình tụ tuyến tính lí tưởng. Các con số được tính theo Q=CU, W=CU²/2 và quy tắc ghép tụ, kèm cảnh báo khi điện áp vượt giá trị cho phép.
1. Giữ C không đổi, tăng U gấp đôi: Q và W thay đổi thế nào? 2. Hai tụ nối tiếp có C nhỏ hơn sẽ nhận điện áp lớn hơn hay nhỏ hơn? 3. Hai tụ mắc song song vào cùng nguồn có cùng Q hay cùng U?
Chọn tụ điện có điện dung C và điện áp định mức Umax. Điều chỉnh điện áp thực U, quan sát số điện tích trên bản và năng lượng điện trường.
Đặt các tụ ban đầu chưa tích điện vào một nguồn điện một chiều. Chọn kiểu ghép, thay đổi điện dung và điện áp nguồn để thấy sự khác biệt.
Minh họa định tính quá trình tích/phóng qua điện trở. Có dùng mô hình hàm mũ RC để hiển thị dạng đường cong, không đưa biểu thức này vào câu hỏi kiểm tra chuẩn Bài 21.
Nhập chỉ số, không kèm đơn vị (đơn vị trong câu hỏi), được dùng dấu phẩy hoặc dấu chấm; nếu cần, làm tròn 2 chữ số thập phân. Đáp án chỉ hiện khi học sinh chủ động mở lời giải.
8 câu ABCD (2 điểm), 4 câu Đúng/Sai bốn ý (4 điểm), 8 câu trả lời ngắn (2 điểm) và 2 câu tự luận (2 điểm, rubric). Không hiển thị đáp án trước khi nộp.
Hệ thống kiến thức và điều kiện áp dụng những biểu thức cơ bản.
Tụ điện có thể tích trữ năng lượng trong điện trường rồi giải phóng nhanh qua một mạch thích hợp. Đèn flash điện tử và một số thiết bị hàn xung dùng nguyên lí này. Không tự tháo thiết bị vì tụ có thể vẫn còn điện.
Tụ điện tham gia lọc tín hiệu, ổn định nguồn và tạo mạch định thời. Tụ dành cho động cơ có đặc tính khác tụ điện phân; không thay lẫn loại nếu không có chuyên môn.
Khi thay tụ cần xét điện dung, điện áp định mức, loại tụ và tính phân cực. Tụ đã ngắt nguồn vẫn có thể còn điện tích; không dùng tay hoặc dây kim loại để thử phóng điện.