Điện dung là một khái niệm quan trọng trong điện học, đặc biệt khi tìm hiểu về tụ điện – linh kiện không thể thiếu trong các mạch điện tử. Vậy điện dung là gì, công thức tính điện dung ra sao và các yếu tố nào ảnh hưởng đến nó?
Bài viết này của Nam Phương Việt sẽ giúp bạn hiểu rõ mọi khía cạnh về điện dung tụ điện – từ định nghĩa, công thức, đơn vị, ví dụ minh họa đến những lưu ý khi sử dụng trong thực tế.
Điện dung của tụ điện là gì?
Trước khi đi vào công thức tính điện dung, hãy cùng làm rõ khái niệm cơ bản này.
Trong điện tử cơ bản, điện dung của tụ điện là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng tích trữ điện tích của một tụ điện khi đặt vào hai bản tụ một hiệu điện thế nhất định.
Nói cách khác, điện dung cho biết tụ điện có thể chứa bao nhiêu điện tích khi được nối vào một nguồn điện.
Điện dung được ký hiệu bằng chữ cái C và đo bằng đơn vị Farad (F) trong hệ đo lường quốc tế (SI).
Công thức tính điện dung của tụ điện
Sau khi hiểu khái niệm điện dung là gì, chúng ta cùng tìm hiểu cách tính đại lượng này.
Điện dung của tụ điện được tính theo công thức:
C=Q/U (1)
Trong đó:
- C là điện dung (F)
- Q là điện tích của tụ điện, đơn vị (coulomb, C, mC)
- U là điện áp giữa 2 bản của tụ điện (Volt)
Điện tích của tụ điện được xác định theo công thức sau:
Q=I*t (2)
Trong đó:
- I = dòng điện (ampe, A)
- t = thời gian (giây)
Lượng điện tích (số electron) được đo bằng đơn vị Coulomb – C – trong đó 1 coulomb = 6,24 1018 electron. Điện tích nhỏ nhất tồn tại là điện tích mà một electron mang theo, bằng -1,602 10-19 coulomb.
Ngoài công thức cơ bản trên, điện dung còn có thể được xác định dựa vào cấu tạo hình học và chất liệu tụ điện.
Nếu hai bản tích điện được ngăn cách bằng một môi trường cách điện – một chất điện môi – thì cường độ điện trường (gradien thế năng) giữa hai bản có thể được biểu thị bằng:
E = U / d (3)
Trong đó:
- E là cường độ điện trường (volts/m)
- U là điện áp (volt)
- d là độ dày của chất điện môi, khoảng cách giữa các bản (m)
Lúc này, mật độ thông lượng điện của tụ điện được xác định theo công thức:
D = Q / A (4)
Trong đó:
- D = mật độ thông lượng điện (coulomb/m2)
- A = diện tích bề mặt của tụ điện (m2)
Tỷ số giữa mật độ thông lượng điện và cường độ điện trường được gọi là độ điện môi tuyệt đối – ε – của chất điện môi và có thể được biểu thị như sau:
ε = D / E = εr *ε0 (5)
Từ (3), (4), (5), công thức (1) có thể được viết lại thành:
C = εr *ε0*A/d (6)
Với:
- εr là độ điện môi tương đối – còn gọi là hằng số điện môi
- ε0 là độ điện môi tuyệt đối của không gian tự do hoặc chân không (8,85 · 10-12 F/m)
Bài tập ví dụ
Để giúp bạn hình dung rõ hơn, dưới đây là ví dụ cụ thể về cách áp dụng công thức:
Ví dụ 1: Một tụ điện có hai bản cực, mỗi bản có diện tích là 0.02 𝑚2 và được ngăn cách bởi một lớp không khí với khoảng cách giữa hai bản cực là 0.001𝑚. Hằng số điện môi của không khí là 𝜀0 = 8.854×10−12 𝐹/𝑚. Hãy tính điện dung của tụ điện.
Bài giải
Áp dụng công thức: C = εr *ε0*A/d = 1 * 8,85 x 10-2 * 0,02/0,001 = 1.77×10−10 F = 177 pF
Ví dụ 2: Hai tụ điện có điện dung lần lượt là 𝐶1 = 10 𝜇𝐹 và 𝐶2 = 20 𝜇𝐹 được nối tiếp với nhau. Hãy tính điện dung tương đương của hệ tụ này.
Ví dụ 3: Một tụ điện phẳng có diện tích bản cực là 0.01 𝑚2 và khoảng cách giữa hai bản cực là 0.002 𝑚. Giữa hai bản cực là lớp gốm với hằng số điện môi 𝜀𝑟 = 7. Biết hằng số điện môi của không khí 𝜀0 = 8.854×10−12 𝐹/𝑚. Hãy tính điện dung của tụ điện này.
Bạn đọc hãy comment đáp án của mình ở dưới phần comment nhé.
Các yếu tố ảnh hưởng đến điện dung
Điện dung của một tụ điện không phải là con số ngẫu nhiên – nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố vật lý cụ thể. Dưới đây là 3 yếu tố chính:
- Hằng số điện môi của vật liệu (ε), tức là hằng số điện môi càng cao thì điện dung càng lớn.
- Diện tích bề mặt của các tấm (A), tức là diện tích càng lớn thì điện dung càng lớn.
- Khoảng cách giữa các tấm (d), tức là khoảng cách càng nhỏ thì điện dung càng lớn.
Mặc dù điện dung C của tụ điện là tỷ số giữa điện tích Q và điện áp U, nhưng nó không phụ thuộc vào Q hoặc U. Và việc sạc điện cho tụ (hay tích điện tích cho tụ) chỉ xảy ra khi dòng điện I đi vào cực (+) và đi ra khỏi cực (-) của tụ điện.
💡 Lưu ý: Điện dung của tụ điện không phụ thuộc vào điện tích hay điện áp trực tiếp mà là thuộc tính vật lý cố định theo cấu tạo tụ.
Đơn vị của điện dung của tụ điện
Trong hệ đo lường quốc tế SI, đơn vị cơ bản của điện dung là Farad (F). Tuy nhiên, trong thực tế, giá trị 1 Fara thường rất lớn so với các tụ điện thông thường sử dụng trong các mạch điện tử. Do đó, người ta thường sử dụng các đơn vị nhỏ hơn như:
- Microfara (μF): 1 μF = 10-6 F
- Nanofara (nF): 1 nF = 10-9 F
- Picofara (pF): 1 pF = 10-12 F
Việc sử dụng các đơn vị khác nhau giúp cho việc ghi nhãn và sử dụng tụ điện trở nên thuận tiện hơn.
- Tụ có điện dung μF thường được sử dụng trong các thiết bị như tụ lọc trong nguồn điện.
- Tụ có điện dung nF thường được sử dụng trong các mạch lọc tín hiệu cao tần.
- Tụ có điện dung pF thường dùng trong các mạch điều chỉnh và mạch cộng hưởng cao tần.
Điện dung tụ điện nối tiếp và song song
Khi lắp ráp nhiều tụ điện trong mạch, tổng điện dung của tụ điện sẽ thay đổi tùy theo cách nối tụ. Có hai trường hợp phổ biến:
Mắc nối tiếp:
1/Ctđ = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + …
Mắc song song:
Ctđ =C1 + C2 +…
👉 Đây là kiến thức quan trọng khi thiết kế mạch điện cần tính toán điện dung tổng.
Ứng dụng của tụ điện có điện dung khác nhau
Tụ điện được sử dụng linh hoạt tùy theo giá trị điện dung. Dưới đây là bảng phân loại ứng dụng theo từng cấp độ:
| Điện dung | Ứng dụng |
| μF |
Tụ lọc nguồn, ổn áp, khởi động
|
| nF |
Mạch lọc tín hiệu, mạch dao động
|
| pF |
Mạch cộng hưởng cao tần, RF
|
Hy vọng qua bài viết này, bạn đã hiểu rõ điện dung là gì, biết cách tính điện dung của tụ điện chính xác và nắm được các yếu tố ảnh hưởng đến điện dung trong thực tế.
Nếu bạn thấy bài viết hữu ích, đừng quên chia sẻ, bình luận thắc mắc, hoặc ghé website Nam Phương Việt để khám phá thêm nhiều kiến thức kỹ thuật chuyên sâu khác nhé!
=> Xem thêm: Tụ Điện Là Gì? Cấu Tạo, Nguyên Lý & Công Dụng Của Tụ Điện
