Công thức tính tụ điện: Cách tính điện dung, năng lượng của tụ điện

Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động, được cấu tạo bởi hai bản cực đặt song song và được ngăn cách bởi lớp điện môi. Tụ điện có khả năng cách điện 1 chiều nhưng cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp. Vậy, công thức tính tụ điện là gì? Hãy cùng tìm hiểu!

1. 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 được sử dụng để chứa điện tích.
• Điện dung của tụ điện (C) là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế xác định. Nó được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó.
• Có nhiều loại tụ điện khác nhau, được đặt tên dựa trên lớp điện môi sử dụng như tụ không khí, tụ giấy, tụ mica, tụ sứ, tụ gốm, và còn tụ điện có điện dung thay đổi (tụ xoay).

2. Công thức tụ điện

• Điện dung của tụ điện được tính bằng công thức sau:
  C = Q/U
  

Trong đó:

Bạn đang xem: Công thức tính tụ điện: Cách tính điện dung, năng lượng của tụ điện

• C: Điện dung của tụ, được đo bằng đơn vị fara (F).

• U: Hiệu điện thế (V).

• Q: Điện tích (C).

• Đơn vị điện dung của các tụ điện thường sử dụng là fara, nhưng do các tụ điện thường có điện dung từ 10^-12 F đến 10^-6 F, ta thường sử dụng các ước lượng của fara như sau:
  1 micrôfara (μF) = 1.10^-6 F.
  1 nanôfara (nF) = 1.10^-9 F.
  1 picôfara (pF) = 1.10^-12 F.

3. Công thức mở rộng

• Từ công thức C, ta có thể suy ra công thức tính Q và U:

• Đối với tụ điện được ghép nối tiếp:
  Q = Q1 = Q2 = … = Qn
  UAB = U1 + U2 + … + Un

• Đối với tụ điện được ghép song song:
  Q + Q1 + Q2 + … + Qn
  UAB = U1 = U2 = … = Un
  C = C1 + C2 + … + Cn

• Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng:
  C = (ε * S) / d

Trong đó:

Bạn đang xem: Công thức tính tụ điện: Cách tính điện dung, năng lượng của tụ điện

• S: Diện tích đối diện giữa hai bản (m2).

• d: Khoảng cách hai bản tụ (m).

• ε: Hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản tụ.

• Cũng có một số bài toán khác như:

• Khi nối tụ vào nguồn: U = hằng số.
• Khi ngắt tụ khỏi nguồn: Q = hằng số.

4. Ví dụ tính điện tích của tụ điện

• Ví dụ: Cho hai bản tụ điện phẳng có dạng hình tròn, bán kính R = 60 cm, khoảng cách giữa các bản là d = 2mm. Giữa hai bản là không khí. Hãy tính điện tích lớn nhất mà tụ điện có thể tích được để không bị đánh thủng? Biết rằng điện trường lớn nhất mà không khí chịu được là 3.10^5 V/m.

Gợi ý đáp án

• Điện dung của tụ điện: C = ε (π R^2) / d
• Hiệu điện thế lớn nhất có thể đặt vào hai bản tụ là: U = E d = 3.10^5 0.002 = 600V
• Điện tích lớn nhất mà tụ có thể tích được để không bị đánh thủng là: Q = C U = (5.10^-9) 600 = 3.10^-6 C

5. Bài tập tính tụ điện

A. Trắc nghiệm

Câu 1: Tụ điện là:
A. Hệ thống gồm hai vật đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp dẫn điện.
B. Hệ thống gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện.
C. Hệ thống gồm hai vật dẫn đặt tiếp xúc với nhau và được bao bọc bằng điện môi.
D. Hệ thống gồm hai vật dẫn đặt cách nhau một khoảng đủ xa.

Câu 2: Trong trường hợp nào sau đây ta có một tụ điện?
A. Hai tấm gỗ khô đặt cách nhau một khoảng trong không khí.
B. Hai tấm nhôm đặt cách nhau một khoảng trong nước nguyên chất.
C. Hai tấm kẽm ngâm trong dung dịch axit.
D. Hai tấm nhựa phủ ngoài một lá nhôm.

Câu 3: Để tích điện cho tụ điện, ta phải:
A. Mắc vào hai đầu tụ một hiệu điện thế.
B. Cọ xát các bản tụ với nhau.
C. Đặt tụ gần vật nhiễm điện.
D. Đặt tụ gần nguồn điện.

Câu 4: Trong các nhận xét về tụ điện dưới đây, nhận xét nào không đúng?
A. Điện dung đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ.
B. Điện dung của tụ càng lớn thì tích được điện lượng càng lớn.
C. Điện dung của tụ có đơn vị là Fara (F).
D. Hiệu điện thế càng lớn thì điện dung của tụ càng lớn.

Câu 5: Fara là điện dung của một tụ điện mà:
A. Giữa hai bản tụ có hiệu điện thế 1V thì nó tích được điện tích 1C.
B. Giữa hai bản tụ có hiệu điện thế không đổi thì nó được tích điện 1C.
C. Giữa hai bản tụ có điện môi với hằng số điện môi bằng 1.
D. Khoảng cách giữa hai bản tụ là 1mm.

Câu 6: Cho biết 1nF bằng:
A. 10^-9F.
B. 10^-12F.
C. 10^-6 F.
D. 10^-3 F.

Câu 7: Nếu hiệu điện thế giữa hai bản tụ tăng 2 lần thì điện dung của tụ điện:
A. Tăng 2 lần.
B. Giảm 2 lần.
C. Tăng 4 lần.
D. Không đổi.

B. Tự luận

Bài tập 1: Tụ xoay có điện dung thay đổi từ a đến b khi góc xoay α biến thiên từ x đến y. Viết biểu thức phụ thuộc của điện dung vào góc xoay α. Biết điện dung của tụ xoay là hàm bậc nhất của góc xoay α.

Bài tập 2: Một tụ điện phẳng có diện tích S = 100cm^2, khoảng cách hai bản là d = 1 mm, giữa hai bản là lớp điện môi ε. Hỏi:
a/ Tính điện dung của tụ điện.
b/ Dùng nguồn U = 100 V để nạp điện cho tụ, tính điện tích mà tụ tích được.

Bài tập 3: Hai bản của một tụ điện phẳng là các hình tròn, tụ điện được tích điện sao cho điện trường trong tụ bằng E. Khi đó, tính bán kính của các bản. Cho biết bên trong tụ điện là không khí.

Bài tập 4: Hai bản tụ điện phẳng có dạng hình tròn bán kính R = 2 cm, đặt trong không khí, khoảng cách giữa hai bản d = 2 mm.
a/ Tính điện dung của tụ điện đó.
b/ Có thể tích cho tụ một điện tích lớn nhất là bao nhiêu để tụ không bị đánh thủng? Cho biết điện trường đánh thủng đối với không khí là E.

Bài tập 5: Tụ điện phẳng gồm hai bản tụ hình vuông cạnh a, đặt cách nhau d = 1 mm, chất điện môi giữa hai bản là thủy tinh có ε. Hiệu điện thế giữa hai bản tụ U = 50 V.
a/ Tính điện dung của tụ điện.
b/ Tính điện tích của tụ điện.

Bài tập 6: Một tụ điện phẳng không khí có điện dung C = 500 pF được nạp điện đến hiệu điện thế U = 300 V. Ngắt tụ khỏi nguồn, nhúng vào chất điện môi lỏng ε = 2. Hiệu điện thế của tụ lúc đó là bao nhiêu?

Bài tập 7: Hai bản tụ điện phẳng có dạng hình tròn bán kính R = 50 cm, khoảng cách giữa các bản là d = 4 mm. Giữa hai bản là không khí. Hãy tính điện tích lớn nhất mà tụ điện có thể tích được để không bị đánh thủng? Biết rằng điện trường lớn nhất mà không khí chịu được là E.

Nguồn: https://izumi.edu.vn/
Danh mục: Tài liệu điện