Điện dung của tụ điện: Định nghĩa, công thức và ứng dụng

Điện dung của tụ điện là một khái niệm quan trọng và cơ bản trong lĩnh vực điện tử. Hiểu rõ về điện dung của tụ điện không chỉ giúp chúng ta nắm vững nguyên lý hoạt động của các loại mạch điện công nghiệp mà còn giúp tối ưu hóa thiết kế và ứng dụng trong thực tế. Tụ điện với các giá trị điện dung khác nhau có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và hiệu quả của các thiết bị điện tử, từ những thiết bị gia dụng nhỏ gọn cho đến các hệ thống công nghiệp phức tạp. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu sâu hơn về điện dung của tụ điện và những ứng dụng quan trọng của nó trong đời sống hàng ngày.

Điện dung là gì?

Điện dung của tụ điện là đại lượng thể hiện khả năng lưu trữ điện tích của tụ khi đặt một hiệu điện thế nhất định lên hai bản cực của nó. Khi áp điện áp vào hai bản cực của tụ điện, các bản cực sẽ tích điện tích trái dấu và tạo ra một điện trường trong khoảng không gian giữa chúng. Điện trường này còn phụ thuộc vào điện dung của tụ điện.

Điện dung được tính bằng tỷ số của điện tích tích trữ trên mỗi bản cực so với hiệu điện thế (hay điện áp) giữa chúng. Đơn vị đo điện dung là farad (F), được đặt theo tên của nhà vật lý người Anh Michael Faraday (1791-1867). Một farad là một giá trị rất lớn, vì vậy hầu hết các tụ điện trong thiết bị điện gia dụng thường có giá trị nhỏ hơn nhiều, thường chỉ là một phần nghìn của farad (microfarad, μF) hoặc thậm chí là picofarad (pF). Trong khi đó, các siêu tụ điện có thể lưu trữ hàng ngàn farad, cho phép tích trữ một lượng điện tích rất lớn.

Công thức tính điện dung của tụ điện

Công thức chung là: C =Q/U

• C là: Điện dung (F)
• Q là: Điện tích của tụ (C)
• U là: Hiệu điện thế giữa hai bản tụ (V)

Tụ điện phẳng:

C = ε.S/d

• ε là: Hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản tụ
• S là: Diện tích đối diện giữa hai bản tụ (m²)
• d là: Khoảng cách giữa hai bản tụ (m)

Ví dụ 1: Cách tính điện dung của một tụ điện phẳng

Một tụ điện phẳng có hai bản hình tròn bán kính 5cm, cách nhau 1mm. Giữa hai bản là không khí (ε = 1). Tính điện dung của tụ điện.

Giải:

• Diện tích một bản tụ: S = π.R² = 3.14 . (0.05)² ≈ 7.85 x 10⁻⁴ m²
• Khoảng cách giữa hai bản: d = 1mm = 1 x 10⁻³ m
• Áp dụng công thức: C = ε.S/d = 1 x 7.85 x 10⁻⁴ / 1 x 10⁻³ ≈ 7.85 x 10⁻¹¹ F ≈ 78.5 pF

Ví dụ 2: Tính khoảng cách giữa hai bản tụ

Một tụ điện phẳng có điện dung 20pF, diện tích mỗi bản là 10cm². Giữa hai bản là một lớp điện môi có hằng số điện môi ε = 5. Tính khoảng cách giữa hai bên bản tụ.

Giải:

• Diện tích một bản tụ: S = 10cm² = 10 x 10⁻⁴ m²
• Chuyển đổi điện dung: C = 20pF = 20 x 10⁻¹² F
• Áp dụng công thức: d = ε.S/d = 5 x 10 x 10⁻⁴ / 20 x 10⁻¹² = 2.5 x 10⁻⁶ m = 2.5 μm

Ví dụ 3: Tính điện tích của tụ điện

Một tụ điện có điện dung 5μF được tích điện đến hiệu điện thế 200V. Tính điện tích của tụ.

Giải:

• Chuyển đổi điện dung: C = 5μF = 5 x 10⁻⁶ F
• Áp dụng công thức: Q = C.U = 5 x 10⁻⁶ x 200 = 1 x 10⁻³ C = 1mC

Công thức tính điện dung của tụ điện có cấu tạo đặc biệt

Tụ điện phẳng

Để tính điện dung của một tụ điện phẳng, ta có thể sử dụng công thức:

C = ε₀εS/d

Trong đó:

• C là: Điện dung của tụ điện (Fara)
• ε₀ là: Hằng số điện môi của chân không (một giá trị cố định)
• ε là: Hằng số điện môi tương đối của vật liệu giữa hai bản tụ (cho biết khả năng cách điện của vật liệu đó so với chân không)
• S là: Diện tích của một bản tụ (m²)
• d là: Khoảng cách giữa hai bản tụ (m)

Tụ điện trụ

Để tính điện dung của một tụ điện hình trụ, ta sử dụng công thức:

C = 2πhε₀ / ln(R₂/R₁)

Trong đó:

• C là: Điện dung của tụ điện (Fara)
• h là: Chiều cao của phần diện tích đối diện giữa hai bản tụ (m)
• ε₀ là: Hằng số điện môi của chân không (một giá trị cố định)
• R₁ là: Bán kính của mặt trụ bên trong (m)
• R₂ là: Bán kính của mặt trụ bên ngoài (m)
• ln là: Lôgarit tự nhiên

Tụ điện cầu

Để tính điện dung của một tụ điện cầu, ta sử dụng công thức:

C = 2πhε₀R₁R₂ / (R₂ - R₁)

Trong đó:

• C: Điện dung của tụ điện (Fara)
• h: Chiều cao của phần diện tích đối diện giữa hai bản tụ (m)
• ε₀: Hằng số điện môi của chân không (một giá trị cố định)
• R₁: Bán kính của mặt cầu bên trong (m)
• R₂: Bán kính của mặt cầu bên ngoài (m)

Điện dung của tụ điện là một thông số quan trọng trong việc đánh giá khả năng lưu trữ điện tích và hiệu suất hoạt động của tụ điện trong các mạch điện. DMD giúp bạn hiểu rõ về điện dung của tụ điện giúp chúng ta lựa chọn và sử dụng tụ điện một cách hiệu quả từ đó tối ưu hóa các thiết bị và hệ thống điện tử. Dù là trong các ứng dụng gia dụng hay công nghiệp, điện dung của tụ điện luôn đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo sự ổn định và hiệu quả của mạch điện.

>>>Xem thêm các bài viết liên quan: