Tụ điện và điện dung

Tụ điện là linh kiện gồm hai vật dẫn đặt gần nhau, ngăn cách bằng một lớp điện môi (chất không dẫn điện: không khí, giấy tẩm dầu, mica, gốm, nhựa). Hai vật dẫn gọi là hai bản tụ. Tụ phẳng là loại đơn giản nhất: hai tấm kim loại song song.

Nối hai bản vào hai cực của một nguồn điện (pin, acquy, nguồn một chiều): các electron tự do chạy từ bản nối với cực dương sang bản nối với cực âm, qua dây và nguồn, không qua lớp điện môi. Kết quả:

• bản nối cực dương thiếu electron nên mang điện tích $+Q$;
• bản nối cực âm thừa electron nên mang điện tích $-Q$.

Hai bản luôn mang điện tích bằng nhau về độ lớn, trái dấu vì electron chỉ chuyển từ bản này sang bản kia. Điện tích của tụ là độ lớn $Q$ trên một bản (không phải tổng của hai bản; tổng ấy bằng $0$).

Dòng chuyển dời đó dừng lại khi hiệu điện thế giữa hai bản bằng hiệu điện thế $U$ của nguồn: lúc ấy tụ đã được tích điện. Nối hai bản bằng một dây dẫn (hoặc qua bóng đèn) thì electron chạy ngược lại, tụ phóng điện.

Thí nghiệm cho thấy với một tụ nhất định, điện tích $Q$ trên mỗi bản tỉ lệ thuận với hiệu điện thế $U$ giữa hai bản. Tỉ số $Q/U$ là hằng số của tụ, gọi là điện dung $C$:

$$C=\frac{Q}{U}\qquad\Longleftrightarrow\qquad Q=CU.$$

Điện dung cho biết tụ tích được bao nhiêu điện tích khi đặt vào mỗi volt. Cùng $U$, tụ có $C$ lớn tích được nhiều điện tích hơn.

Đơn vị điện dung là fara (kí hiệu F): $1\,\text{F}=1\,\text{C/V}$. Fara là đơn vị rất lớn nên thường dùng ước số:

Trên vỏ tụ ghi hai số, ví dụ "$20\,\mu\text{F}-50\,\text{V}$": điện dung $20\,\mu\text{F}$ và điện áp định mức $50\,\text{V}$. Điện áp định mức là giá trị hiệu điện thế lớn nhất có thể đặt vào tụ mà lớp điện môi còn cách điện. Vượt quá thì điện môi bị đánh thủng: xuất hiện tia lửa, tụ hỏng (với tụ hoá còn có thể nổ). Từ đó, điện tích lớn nhất tụ chịu được:

$$Q_{\max}=C\,U_{\text{đm}}.$$

Tụ điện cất năng lượng và nhả ra rất nhanh, nên có mặt trong: đèn flash máy ảnh (nạp từ từ, phóng trong vài phần nghìn giây), bộ khởi động động cơ điện, bộ nguồn và bộ lọc (làm phẳng điện áp sau chỉnh lưu), mạch điều chỉnh tần số, bộ lưu điện nhỏ giữ dữ liệu khi mất nguồn, và màn hình cảm ứng (ngón tay làm đổi điện dung tại điểm chạm).