Hiểu về điện dung
Một chiếc cốc nhỏ có thể chứa một lượng nước nhỏ, trong khi một chiếc cốc lớn có thể chứa nhiều nước hơn. Cốc càng lớn thì càng chứa được nhiều nước. Vì vậy, mỗi chiếc cốc đều có một dung tích, hay thước đo khả năng chứa nước của nó. Giống như cốc, tụ điện cũng có khả năng lưu trữ điện tích và năng lượng tiềm năng. Dung tích của tụ điện, hay thước đo khả năng lưu trữ điện tích và năng lượng tiềm năng của nó, được gọi là điện dung.
Các yếu tố ảnh hưởng đến điện dung
Dung tích chứa nước của một chiếc cốc được xác định bởi thể tích của nó. Vậy còn tụ điện thì sao? Điều gì quyết định dung lượng lưu trữ điện tích của một tụ điện?
Hình dưới đây cho thấy một tụ điện đơn giản gồm hai bản cực dẫn điện được ngăn cách bởi một khoảng cách nhất định. Trước khi được nối với nguồn điện, chẳng hạn như pin, cả hai bản cực đều không tích điện. Sau đó, một bản cực được nối với cực dương của pin và bản cực kia được nối với cực âm bằng dây dẫn.
Sau khi được nối với cực dương của pin, điện tích dương trong pin sẽ hút các electron mang điện tích âm trên tấm điện cực, khiến chúng di chuyển về phía cực dương của pin. Điều này làm cho tấm điện cực bị thiếu electron (điện tích âm) và dư proton (điện tích dương), dẫn đến điện tích dương.
Tương tự, sau khi nối tấm kim loại với cực âm của pin, điện tích dương trên tấm kim loại sẽ hút các electron mang điện tích âm trên cực âm của pin, khiến các electron di chuyển về phía tấm kim loại. Điều này làm cho tấm kim loại có lượng electron dư thừa, trở nên mang điện tích âm.
Quá trình truyền electron giữa các bản cực và pin dừng lại khi hiệu điện thế giữa hai bản cực bằng hiệu điện thế giữa hai cực của pin.
Làm thế nào để điện tích trên cả hai bản dẫn tăng lên? Nói cách khác, cần phải làm gì để gây ra sự chuyển electron trở lại? Sự chuyển electron chỉ xảy ra khi hiệu điện thế giữa hai cực của pin lớn hơn hiệu điện thế giữa hai bản dẫn. Để sự chuyển electron xảy ra trở lại và làm tăng điện tích trên mỗi bản dẫn, cần thay pin đang sử dụng bằng một pin khác hoặc một nguồn điện khác có hiệu điện thế lớn hơn. Sự chuyển electron dừng lại khi hiệu điện thế của nguồn điện bằng hiệu điện thế của tụ điện, do đó nếu hiệu điện thế của nguồn điện lớn hơn thì hiệu điện thế của tụ điện cũng lớn hơn.
Dựa trên những phân tích trên, có thể kết luận rằng điện tích tích trữ trên mỗi bản dẫn càng lớn thì hiệu điện thế giữa hai bản dẫn càng lớn. Do đó, điện tích (Q) tỷ lệ thuận với hiệu điện thế (V). Mối quan hệ giữa điện tích và hiệu điện thế được biểu thị bằng tỷ lệ thuận sau:
Q α V
Mối quan hệ tỉ lệ trên được chuyển đổi thành một phương trình bằng cách thêm hằng số tỉ lệ C:
Q = CV hoặc C = Q / V
Mô tả: Q = điện tích (Coulomb), V = hiệu điện thế hoặc điện áp (Volt), C = hằng số tỉ lệ, còn được gọi là điện dung của tụ điện.
Giá trị điện dung không phụ thuộc vào điện tích và điện áp mà phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của các bản dẫn. Chứng minh toán học rằng điện dung phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của các bản dẫn được giải thích trong bài viết về các loại tụ điện dựa trên hình dạng của các bản dẫn, cụ thể là tụ điện phẳng song song , tụ điện hình trụ và tụ điện hình cầu . Trong bài viết đó, giả thiết rằng có một khoảng chân không giữa hai bản dẫn.
Điện dung của tụ điện cũng phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu nằm giữa hai bản dẫn điện. Vật liệu nằm giữa hai bản dẫn điện được gọi là chất điện môi . Điện dung của tụ điện có chất điện môi được thảo luận chi tiết trong bài viết về hằng số điện môi.
Đơn vị điện dung
Đơn vị của điện tích là Coulomb và đơn vị của hiệu điện thế là Volt, vì vậy dựa trên phương trình điện dung ở trên, đơn vị của điện dung là Coulomb trên Volt (C/V), hay còn gọi là Farad (F), được đặt theo tên của nhà khoa học người Anh Michael Faraday (1791-1867). Vì vậy, 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Ví dụ, một tụ điện có giá trị 2 Farad, nghĩa là tụ điện tích trữ điện tích +2 Coulomb trên một trong hai bản cực dẫn và -2 Coulomb trên bản cực dẫn còn lại, trong đó hai bản cực dẫn có hiệu điện thế là 1 Volt. Nếu một pin 12 Volt được nối với tụ điện, một trong hai bản cực dẫn sẽ có điện tích Q = CV = (2)(12 Volt) = +24 Coulomb trong khi bản cực dẫn còn lại sẽ có điện tích -24 Coulomb.
Cần lưu ý rằng Farad là một đơn vị điện dung rất lớn, do đó người ta thường sử dụng các đơn vị nhỏ hơn, cụ thể là microFarad viết tắt là μF (10⁻⁶ Farad ) đến picoFarad viết tắt là pF (10⁻¹² Farad ). Các phép tính toán học để chứng minh rằng Farad là một đơn vị rất lớn được thảo luận trong ví dụ về tụ điện phẳng song song.
