Tụ điện có thể hoạt động nếu hai bản cực/tấm dẫn điện không chạm vào nhau để điện tích không di chuyển từ dây dẫn này sang dây dẫn kia. Tương tự, để điện tích không di chuyển từ dây dẫn ra không khí, khoảng không giữa hai dây dẫn phải là chân không. Trong bài viết về tụ điện bản song song, điện dung của tụ điện bản song song đã được thảo luận, trong đó hai bản cực được ngăn cách bởi chân không. Điện dung của tụ điện trong chân không có những hạn chế, vì vậy để tăng điện dung, người ta đặt một chất điện môi giữa hai bản cực/tấm dẫn điện.
Chất điện môi là một chất cách điện ngăn cách hai bản cực dẫn điện của tụ điện. Chất cách điện là vật liệu không dẫn điện, chẳng hạn như nhựa, thủy tinh, giấy hoặc gỗ. Chức năng của chất điện môi là tăng điện dung, cho phép tụ điện lưu trữ một lượng lớn điện tích và năng lượng tiềm năng.
Vật liệu điện môi làm tăng điện dung vì điện thế giữa hai bản dẫn bị giảm xuống.
Tại sao điện dung của tụ điện lại tăng lên sau khi có chất điện môi được đặt giữa hai bản cực/tấm dẫn điện? Để tìm ra câu trả lời cho câu hỏi này, trước tiên hãy nhớ lại bài học về... Điện tíchCác điện tích cùng dấu đẩy nhau, trong khi các điện tích trái dấu hút nhau. Ví dụ, các điện tích dương hút nhau. 
Nhựa mang điện tích âm nhưng lại đẩy các điện tích dương. Vậy tại sao nhựa mang điện tích âm lại có thể hút những mẩu giấy nhỏ không mang điện tích? Điều này xảy ra vì các mẩu giấy bị phân cực điện tích. Các electron trong vật liệu cách điện như giấy không thể di chuyển tự do như các electron trong vật liệu dẫn điện. Vì vậy, khi nhựa mang điện tích âm được đưa lại gần các mẩu giấy, các electron liên kết với các nguyên tử bị đẩy ra xa khỏi nhựa mang điện tích âm, dẫn đến sự phân cực điện tích âm và điện tích dương trên giấy. Điện tích âm trên giấy nằm xa nhựa hơn, trong khi điện tích dương trên giấy nằm gần nhựa hơn. Hơn nữa, điện tích âm trên nhựa hút điện tích dương trên các mẩu giấy cho đến khi mẩu giấy nhẹ hơn di chuyển lại gần nhựa hơn.
Quá trình phân cực, hay sự phân cực điện tích, xảy ra trong một tờ giấy tương tự như sự phân cực điện tích xảy ra trong chất điện môi. Như hình ảnh bên trái minh họa, ví dụ, ban đầu chỉ có hai tấm dẫn điện tích điện. Tấm bên trái tích điện dương, trong khi tấm bên phải tích điện âm, do đó hướng của điện trường là từ trái sang phải.
Sau khi đặt lớp điện môi giữa hai bản dẫn, điện tích dương trên bản dẫn bên trái hút các electron trên bề mặt điện môi gần đó, và điện tích âm trên bản dẫn bên phải đẩy các electron trên bề mặt điện môi gần đó. Các electron trong điện môi, vốn là chất cách điện, không tự do di chuyển như các electron trong chất dẫn. Do đó, các electron vẫn bị ràng buộc với các nguyên tử, nhưng có sự phân cực giữa các electron mang điện tích âm và các proton mang điện tích dương, như thể hiện trong hình. Sự hiện diện của điện tích dương ở phía bên phải của các nguyên tử điện môi và điện tích âm ở phía bên trái của các nguyên tử điện môi tạo ra một điện trường hướng từ phải sang trái, do đó làm suy yếu điện trường được tạo ra bởi điện tích trên bản dẫn hướng từ trái sang phải. Vì vậy, điện trường giảm không phải vì điện tích trên hai bản dẫn giảm mà vì xuất hiện một điện trường trong điện môi theo hướng ngược lại. Khi loại bỏ lớp điện môi, cường độ điện trường được tạo ra bởi điện tích trên hai bản dẫn trở lại trạng thái ban đầu.
Nếu cường độ điện trường do điện tích trên hai bản dẫn tạo ra giảm đi, thì điện thế giữa hai bản dẫn cũng giảm đi do điện trường đó.
Điện năng tỷ lệ thuận với điện thế, được thể hiện trong phương trình E = V / d, trong đó E = cường độ điện trường, V = điện thế và d = khoảng cách giữa hai bản cực. Nếu trước khi có chất điện môi thì điện thế là V.o Vì vậy, sau khi có chất điện môi, điện thế giảm xuống còn V với hệ số K. Về mặt toán học, Vo = KV hoặc V = Vo / K hoặc K = Vo / V, trong đó K = hằng số điện môi. Vo > V sao cho K>1.
Cần lưu ý rằng lượng điện tích trên cả hai bản cực/tấm dẫn điện không thay đổi, do đó lượng điện tích cuối cùng bằng lượng điện tích ban đầu (Q = Q).oSự thay đổi điện dung của tụ điện được tính bằng công thức sau:
Mô tả công thức: C = điện dung cuối, C₀ = điện dung ban đầu, Q = điện tích cuối, Q₀ = điện tích ban đầu, V = điện thế cuối, V₀ = điện thế ban đầu, K = hằng số điện môi
Dựa trên phương trình trên, có thể kết luận rằng điện dung ban đầu (C₀ ) nhỏ hơn trong khi điện dung cuối cùng (C) lớn hơn. Điện dung tăng lên một hệ số K, trong đó K là hằng số điện môi. Giá trị hằng số điện môi của mỗi vật liệu cách điện là khác nhau. Hằng số điện môi (K) là kết quả của việc so sánh điện dung của tụ điện khi sử dụng chất điện môi với điện dung của tụ điện khi không sử dụng chất điện môi.
Vật liệu điện môi làm tăng điện dung vì khoảng cách giữa hai bản dẫn điện bị giảm đi.
Một chức năng khác của chất điện môi là làm giảm khoảng cách (d) giữa hai bản dẫn điện sao cho điện trường (E) và điện áp (V) giữa hai bản dẫn điện tăng lên theo phương trình E = V / d. Nếu điện trường và điện áp giữa hai bản dẫn điện tăng lên thì điện dung của tụ điện cũng tăng lên.
Nếu tụ điện đang xét là loại tụ phẳng song song, thì điện dung của nó được tính bằng công thức sau:
Dựa trên hai công thức trên, có thể kết luận rằng điện dung (C) của tụ điện phẳng song song có thể tăng lên bằng cách giảm khoảng cách giữa hai bản cực/tấm dẫn điện (d).
Vật liệu điện môi làm tăng điện dung vì độ bền điện môi của tụ điện tăng lên.
Vật liệu điện môi được cấu tạo từ các chất cách điện, khi đặt trong một điện trường rất mạnh sẽ bị đánh thủng. Sự đánh thủng điện môi xảy ra khi điện trường quá mạnh khiến các electron bị bật ra khỏi nguyên tử, và các electron này va chạm với các electron trong các nguyên tử khác, gây ra dòng electron bên trong vật liệu điện môi. Nói cách khác, sự đánh thủng điện môi khiến vật liệu điện môi, vốn là chất cách điện, trở thành chất dẫn điện.
Để tránh hư hỏng, mỗi chất điện môi được làm từ một loại vật liệu cách điện nhất định đều có giá trị điện trường tối đa mà nó có thể chịu được, được gọi là hằng số điện môi. Hằng số điện môi của vật liệu cách điện lớn hơn hằng số điện môi của không khí và mỗi vật liệu cách điện lại có hằng số điện môi khác nhau, một số nhỏ và một số lớn. Vì vậy, nếu sử dụng chất điện môi có hằng số điện môi lớn, điện trường mà nó có thể chịu được sẽ lớn hơn và điện áp mà nó có thể chịu được cũng lớn hơn. Nếu điện trường và điện áp do hai bản cực/tấm dẫn điện tạo ra càng lớn, lượng điện tích mà tấm dẫn điện có thể tích trữ càng lớn. Lượng điện tích trong tấm dẫn điện càng nhiều, điện dung của tụ điện càng lớn.
