Định nghĩa tụ điện phẳng song song
Tụ điện phẳng song song là một tụ điện gồm hai bản dẫn song song, mỗi bản dẫn có diện tích mặt cắt ngang (A) bằng nhau và hai bản dẫn cách nhau một khoảng cách nhất định (d), như hình bên trái. Trong bài viết này, giả sử hai bản dẫn được ngăn cách bởi chân không. Trong hình, một trong hai bản dẫn tích điện dương (+Q) trong khi bản dẫn còn lại tích điện âm (-Q), với lượng điện tích trên mỗi bản dẫn là như nhau.
Sự khác biệt về điện tích giữa hai bản cực dẫn điện tạo ra một điện trường và hiệu điện thế giữa chúng. Bản cực tích điện dương có hiệu điện thế cao hơn, trong khi bản cực tích điện âm có hiệu điện thế thấp hơn. Như đã giải thích trong bài viết về điện thế , nếu có hiệu điện thế giữa hai bản cực của tụ điện, thì sẽ có năng lượng điện thế trong tụ điện. Năng lượng điện thế được lưu trữ trong tụ điện có nhiều ứng dụng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến điện dung của tụ điện phẳng song song
Tụ điện ban đầu không tích điện, hay trung tính về điện. Để tích điện cho chúng, người ta nối chúng với nguồn điện áp, chẳng hạn như pin, bằng dây dẫn. Một bản cực được nối với cực dương của pin, trong khi bản cực còn lại được nối với cực âm.
Hãy nhớ rằng các điện tích cùng dấu đẩy nhau, trong khi các điện tích trái dấu hút nhau. Electron mang điện tích âm và dễ dàng di chuyển vì chúng nằm trên bề mặt nguyên tử, trong khi proton mang điện tích dương và không thể di chuyển vì chúng nằm trong hạt nhân. Nếu số proton trên một tấm dẫn điện nhiều hơn số electron, tấm đó sẽ mang điện tích dương. Ngược lại, nếu số electron nhiều hơn số proton, tấm đó sẽ mang điện tích âm.
Sau khi tụ điện được nối với pin, cực dương của pin tích điện dương, hút electron từ bản dẫn, trong khi cực âm của pin tích điện âm, đẩy electron về phía bản dẫn. Sự trao đổi electron giữa pin và bản dẫn khiến bản dẫn mất electron tích điện dương và bản dẫn nhận electron tích điện âm. Sự trao đổi electron dừng lại khi hiệu điện thế giữa hai bản dẫn bằng hiệu điện thế giữa hai cực của pin.
Tụ điện lưu trữ điện tích và thế năng . Khả năng lưu trữ điện tích và thế năng của tụ điện được gọi là điện dung. Điện tích lưu trữ càng lớn, thế năng càng lớn và điện dung càng lớn. Những yếu tố nào ảnh hưởng đến điện dung của tụ điện phẳng song song?
– Diện tích bề mặt của tấm dẫn điện
Tụ điện phẳng song song lưu trữ điện tích trên các bản cực dẫn điện của chúng. Diện tích bề mặt bản cực nhỏ có nghĩa là điện tích được lưu trữ ít; diện tích bề mặt bản cực lớn có nghĩa là điện tích được lưu trữ nhiều. Điện tích được lưu trữ trên các bản cực dẫn điện càng nhiều, thế năng của tụ điện càng lớn. Do đó, thế năng của tụ điện càng lớn thì điện dung của nó càng lớn. Dựa trên những điều đã nêu, có thể kết luận rằng điện dung (C) của tụ điện tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt của các bản cực dẫn điện (A).
– Khoảng cách giữa hai tấm dẫn điện
Sự chuyển động của các electron dừng lại khi hiệu điện thế giữa hai bản dẫn bằng hiệu điện thế giữa hai cực của pin. Làm thế nào để điện tích trên hai bản dẫn tăng lên? Một cách là giảm khoảng cách giữa hai bản dẫn (giảm d). Khi hai bản dẫn được đưa lại gần nhau, lượng điện tích vẫn không đổi, do đó điện trường do điện tích tạo ra có giá trị không đổi. Dựa trên phương trình V = E d, khi điện trường (E) không đổi, hiệu điện thế (V) giảm nếu khoảng cách giữa hai bản dẫn giảm (d).
Hiệu điện thế giữa hai bản dẫn giảm dần cho đến khi nhỏ hơn hiệu điện thế giữa hai cực của pin. Điều này khiến các electron chuyển động trở lại cho đến khi điện tích trên mỗi bản dẫn tăng lên. Sự chuyển động của electron dừng lại khi hiệu điện thế giữa hai bản dẫn bằng hiệu điện thế giữa hai cực của pin.
Khi khoảng cách giữa hai bản dẫn giảm, điện tích trên mỗi bản dẫn tăng lên, do đó điện thế trong tụ điện cũng tăng lên. Nếu điện thế trong tụ điện tăng lên, điện dung của tụ điện cũng tăng lên. Nếu khoảng cách giảm, điện tích tăng lên nên điện dung tăng; nếu khoảng cách tăng, điện tích giảm xuống nên điện dung giảm. Từ đó có thể kết luận rằng điện dung của tụ điện (C) tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản dẫn (d).
Phương trình điện dung của tụ điện phẳng song song
Trước đây, chúng ta đã tìm hiểu những yếu tố ảnh hưởng đến giá trị điện dung của tụ điện phẳng song song. Giá trị điện dung có thể được xác định rõ ràng thông qua các phép tính sử dụng phương trình. Trong bài viết về việc xác định điện trường bằng định luật Gauss, công thức tính điện trường gần một bản dẫn tích điện đã được thảo luận là E = σ/ ε₀ , trong đó σ = Q/A, do đó phương trình điện trường được thay đổi thành E = Q/A: ε₀ = Q/A x 1/ε₀ = Q/Aε₀ . Phương trình điện thế là V = E d, trong đó E = Q/Aε₀, do đó phương trình được thay đổi thành V = Qd/Aε₀ . Phương trình điện dung là C = Q/V, trong đó V = Qd/Aε₀, do đó phương trình điện dung được thay đổi thành C = Q: Qd/Aε₀ = Q x Aε₀ / Qd = Aε₀ / d.
Dựa trên phương trình điện dung C = A ε o / d, có thể kết luận rằng điện dung (C) tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt (A) và tỷ lệ nghịch với khoảng cách (d) giữa hai bản dẫn.
Mô tả công thức: E = điện trường, σ = mật độ điện tích, ε₀ = hằng số điện môi của không gian trống = 8,85 x 10⁻¹² F /m, Q = điện tích, A = diện tích bề mặt của tấm dẫn điện, V = hiệu điện thế.
