Tụ điện phẳng là một phần kiến thức quan trọng trong chương trình vật lý lớp 11, đồng thời được ứng dụng nhiều trong đời sống. Vậy ? Trong bài viết này, hãy cùng DINHNGHIA.COM.VN tìm hiểu tụ điện phẳng là gì, cách ghép nối, các công thức cũng như bài tập liên quan đến tụ điện phẳng nhé!
Nội dung bài viết
Tụ điện phẳng là gì?
Khái niệm tụ điện phẳng
Trước hết, ta cần hiểu tụ điện là một hệ gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và được ngăn cách với nhau bởi một lớp cách điện. Tụ điện có chức năng chứa điện tích trong mạch điện, cụ thể là tích và phóng điện. Do đó, thiết bị này được dùng phổ biến trong các mạch điện xoay chiều và mạch vô tuyến điện.
Tụ điện phẳng là loại tụ điện gồm hai tấm kim loại phẳng (gọi là bản tụ, thường là chất liệu giấy thiếc, kẽm hoặc nhôm) đặt song song với nhau và ngăn cách bởi một lớp điện môi (thường là lớp giấy chứa chất cách điện như parafin). Các bản tụ của tụ điện phẳng có kích thước lớn hơn nhiều so với khoảng cách giữa chúng.
Điện trường trong tụ điện phẳng là điện trường đều, tức là độ lớn của điện trường tại mọi điểm là như nhau.
Ý nghĩa giá trị điện áp của tụ điện phẳng
Trên thực tế, giá trị điện áp của tụ điện phẳng hay bất kỳ tụ điện nào cũng được in trên thân tụ. Đây là giá trị điện áp lớn nhất mà tụ điện đó có thể chịu được. Nếu điện áp thực tế vượt quá giá trị này thì tụ điện sẽ bị hư hỏng, đánh thủng, thậm chí phát nổ.
Do đó, nếu muốn lắp tụ điện phẳng vào một mạch điện có hiệu điện thế là U thì cần phải lắp tụ điện có giá trị điện áp gấp khoảng 1,4U. Chẳng hạn, với mạch 12V, bạn cần lắp tụ 16V; mạch 24V cần lắp tụ 35V,… để đảm bảo sự ổn định của mạch điện.
Ứng dụng của tụ điện phẳng
Tụ điện phẳng được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật điện và điện tử. Đây là linh kiện quan trọng, không thể thiếu trong các thiết bị điện tử. Trong mỗi mạch điện, tụ điện phẳng đều đảm nhận chức năng nhất định, chẳng hạn như tích điện, truyền dẫn tín hiệu, lọc điện nguồn, tạo dao động điện,…
Điện dung của tụ điện phẳng
Điện dung của một tụ điện là khái niệm thể hiện khả năng tích điện của tụ điện đó. Đây là một đại lượng vô hướng và được đo bằng tỉ số giữa điện tích Q mà tụ điện tích được với hiệu điện thế U. Công thức xác định điện dung ? của tụ điện phẳng như sau:
?=?/?
Công thức này có ý nghĩa: Với hiệu điện thế U, một tụ điện phẳng có giá trị điện dung C sẽ tích được một điện tích Q nhất định. Đơn vị điện dung là fara, ký hiệu là F. Vì điện dung thường có giá trị khá nhỏ nên người ta thường sử dụng các đơn vị F nhỏ hơn như:
- 1 microfara (μF) = 1.10-6 F
- 1 nanofara (nF) = 1.10-9 F
- 1 picofara (pF) = 1.10-12 F
Vì mang tính chất đặc biệt hơn nên ngoài công thức chung, điện dung của tụ điện phẳng còn có thể được tính theo công thức:
?=(??)/(4??Π)
Trong đó:
- C là điện dung tụ điện phẳng (đơn vị F).
- ? Là giá trị hằng số của lớp cách điện, hay còn gọi là hệ số điện môi.
- S là diện tích các bản cực của tụ điện phẳng (m2).
- k là hằng số, có giá trị bằng 9.109.
- d là khoảng cách giữa 2 bản tụ, cũng là độ dày của lớp cách điện trong tụ điện (m).
Năng lượng và các cách ghép nối tụ điện phẳng
Năng lượng của tụ điện phẳng
Khi chúng ta tích điện cho tụ điện phẳng hai bản tụ điện trái dấu sẽ tạo thành điện từ trường. Điện từ sẽ đi theo chiều từ dương sang âm và tạo ra năng lượng, được gọi là năng lượng của tụ điện phẳng.
W= QU/2
Các cách ghép nối tụ điện phẳng
Trong một mạch điện, có thể lắp một hoặc lắp đồng thời nhiều tụ điện phẳng. Trường hợp lắp nhiều tụ, các tụ điện có thể được ghép nối với nhau theo 1 trong 2 cách là ghép nối tiếp hoặc ghép song song.
Trường hợp ghép nối tiếp, ta có:
- Hiệu điện thế: ? = ?1 = ?2 = ?3
- Điện tích: ?=?1+?2+?3
- Điện dung: ?=?1+?2+?3
Trường hợp ghép song song:
- Hiệu điện thế: ?=?1+?2+?3
- Điện tích: ?=?1=?2=?3
- Điện dung: 1?=1/?1 + 1/?2 + 1/?3
Công thức tính năng lượng của tụ điện phẳng
Trong một mạch điện hoạt động, hai bản tụ của tụ điện sẽ tích điện trái dấu nhau và tạo thành một điện từ trường khép kín, có chiều hướng từ dương sang âm bên trong bản tụ. Điện trường được tạo thành sẽ sản sinh ra năng lượng và được gọi là năng lượng của tụ điện phẳng.
Năng lượng của tụ điện phẳng ký hiệu là W và được tính theo công thức:
W=Q2/(2C)
Bài tập minh họa về tụ điện phẳng
Bài tập 1: Hai bản tụ điện phẳng có dạng hình tròn bán kính R=60cm, khoảng cách giữa hai bản tụ là d=2mm và giữa chúng là không khí. Tính điện dung của tụ điện.
Hướng dẫn:
Bài tập 2: Một tụ điện phẳng có các bản tụ là hình tròn bán kính 10cm, khoảng cách và hiệu điện thế hai bản tụ lần lượt là 1cm; 108 V. Giữa hai bản tụ là không khí. Tính điện tích của tụ điện.
Hướng dẫn:
Bài tập 3: Một tụ điện phẳng được mắc vào 2 cực của nguồn điện có hiệu điện thế 50V. Ngắt tụ điện khỏi nguồn rồi kéo cho khoảng cách giữa hai bản tụ tăng lên gấp 2 lần. Xác định hiệu điện thế của tụ khi đó.
Hướng dẫn:
Bài tập 4: Hai bản tụ điện phẳng có dạng hình tròn bán kính R=60cm. Khoảng cách giữa hai bản tụ là d=2mm và giữa chúng là không khí. Biết rằng điện trường lớn nhất mà không khí chịu được là 3.105V/m. Có thể tích cho tụ điện một điện tích lớn nhất là bao nhiêu để tụ điện không bị đánh thủng?
Hướng dẫn:
Bài tập 5: Nối hai bản của một tụ điện phẳng với hai cực của một nguồn điện, sau đó ngắt tụ điện ra khỏi nguồn rồi đưa vào giữa hai bản tụ một chất điện môi có hằng số điện môi là ?. Điện dung C và hiệu điện thế U giữa hai bản tụ điện sẽ thay đổi như thế nào?
Hướng dẫn:
Xem thêm:
- Định nghĩa dòng điện một chiều, dòng điện không đổi trong vật lý
- Động cơ AC là gì? Phân loại, cấu tạo, ứng dụng phổ biến
- Định nghĩa công suất biểu kiến là gì? Công suất toàn phần là gì?
Vậy là chúng ta đã tìm hiểu xong về tụ điện phẳng là gì, cũng như cách tính điện dung tụ điện phẳng, cách ghép nối và ý nghĩa của loại tụ này. Nếu có bất cứ thắc mắc về tụ điện phẳng là gì, hãy để lại nhận xét dưới đây để cùng DINHNGHIA.VN tìm ra lời giải nhé.