LÝ THUYẾT - SÁCH HÌNH ĐỘNG
LỚP 11·10 / 2026

TU · 0340 phút

Năng lượng của tụ điện

W = QU/2, nối hai tụ đã tích điện

Cần học trướcTU · 01 · Tụ điện và điện dungTU · 02 · Ghép tụ điện nối tiếp và song song

Mục tiêu

  • Giải thích vì sao tụ tích điện có năng lượng và đọc ra W=12QUW=\tfrac12QU từ diện tích tam giác trên đồ thị QQ–UU.
  • Tính năng lượng bằng ba dạng W=12QU=12CU2=Q22CW=\tfrac12QU=\tfrac12CU^2=\dfrac{Q^2}{2C}, tính công suất phóng điện và độ giảm năng lượng.
  • Giải bài nối hai tụ đã tích điện: bảo toàn điện tích, hiệu điện thế chung và năng lượng mất đi.

Khởi động

Đèn flash máy ảnh phát ra lượng năng lượng cỡ vài jun trong khoảng 1 ms1\,\text{ms}, tức công suất hàng nghìn oát, trong khi pin chỉ cho dòng nhỏ. Năng lượng đó từ đâu ra? Và khi nối hai tụ có điện tích lệch nhau vào cùng một dây, vì sao tổng năng lượng lại bị hụt?

UQUQW = ½QUđộ dốc = CuqΔqΔA = uΔqcông cho từng phần nhỏ

01Kiến thức cần nhớ

1. Năng lượng của tụ tích điện

Để đưa thêm điện tích lên tụ, nguồn phải thực hiện công chống lại điện trường giữa hai bản, vì các bản đã tích điện trước đó đẩy điện tích đến sau. Nạp càng nhiều, hiệu điện thế u=q/Cu=q/C càng cao, công cho mỗi lượng điện tích nhỏ càng lớn.

Chia nhỏ quá trình nạp: ở lúc tụ đã có điện tích qq, đưa thêm điện tích rất nhỏ Δq\Delta q qua hiệu điện thế u=q/Cu=q/C cần công ΔA=u Δq\Delta A=u\,\Delta q. Đó chính là diện tích hình chữ nhật mảnh dưới đồ thị uu theo qq. Cộng mọi công nhỏ từ q=0q=0 đến q=Qq=Q được diện tích tam giác dưới đường thẳng u=q/Cu=q/C (qua gốc, ứng với U=Q/CU=Q/C ở cuối):

W=12 Q U.W=\frac12\,Q\,U.

Phần công này không mất: nó được cất thành năng lượng điện trường giữa hai bản. Dùng Q=CUQ=CU để đổi dạng:

W=12QU=12CU2=Q22C.W=\frac12QU=\frac12CU^2=\frac{Q^2}{2C}.

Chọn công thức theo đại lượng đã biết: có CC và UU thì 12CU2\tfrac12CU^2; có QQ và CC thì Q22C\dfrac{Q^2}{2C}; có QQ và UU thì 12QU\tfrac12QU. Đơn vị: F⋅V2=J\text{F}\cdot\text{V}^2=\text{J}.

UQUQW = ½QUđộ dốc = CuqΔqΔA = uΔqcông cho từng phần nhỏ
Đồ thị Q–U là đường thẳng qua gốc; cộng công của từng phần điện tích nhỏ được diện tích tam giác, W = ½QU
Tương tácTích điện và năng lượng
U (V)Q100nguồntụ
Cột vàng: công của nguồn QU. Cột xanh: năng lượng của tụ, đúng một nửa; phần hồng nhạt toả nhiệt ở dây.

Đổi C và U rồi bấm Nạp. Chấm chạy dọc đường thẳng Q–U, tam giác tô dần chính là năng lượng W = ½QU. Công của nguồn là QU, gấp đôi phần tụ giữ lại: nửa còn lại toả nhiệt ở dây.

Một hệ quả để ý: cùng UU, tụ có CC gấp đôi chứa năng lượng gấp đôi; cùng QQ, tụ có CC gấp đôi chứa năng lượng chỉ bằng một nửa. Điều này quan trọng ở bài tụ phẳng khi ngắt nguồn hay nối nguồn.

2. Công suất phóng điện và độ biến thiên năng lượng

Khi tụ phóng điện qua một vật tiêu thụ (bóng đèn flash), năng lượng WW được giải phóng trong thời gian tt nên công suất trung bình là

P=Wt.\mathcal P=\frac{W}{t}.

Nếu hiệu điện thế giảm từ U1U_1 xuống U2U_2 (điện dung không đổi) thì năng lượng giải phóng là

ΔW=12C(U12−U22),\Delta W=\frac12C\left(U_1^2-U_2^2\right),

không phải 12C(U1−U2)2\tfrac12C(U_1-U_2)^2.

3. Nối hai tụ đã tích điện

Nối hai bản của tụ C1C_1 (điện tích Q1=C1U1Q_1=C_1U_1) với hai bản của tụ C2C_2 (Q2=C2U2Q_2=C_2U_2) bằng dây dẫn. Electron chạy qua dây cho tới khi hai tụ có cùng hiệu điện thế UU. Trong lúc đó tổng điện tích đại số của hai bản nối với nhau được bảo toàn:

  • nối bản cùng dấu với nhau: Q=Q1+Q2Q=Q_1+Q_2, hiệu điện thế chung U=C1U1+C2U2C1+C2U=\dfrac{C_1U_1+C_2U_2}{C_1+C_2};
  • nối bản trái dấu với nhau: Q=∣Q1−Q2∣Q=\lvert Q_1-Q_2\rvert, U=∣C1U1−C2U2∣C1+C2U=\dfrac{\lvert C_1U_1-C_2U_2\rvert}{C_1+C_2}.

Sau khi nối, hai tụ ở trạng thái song song nên điện dung chung C1+C2C_1+C_2. Điện tích mỗi tụ: Qi′=CiUQ_i'=C_iU. Điện lượng chạy qua dây bằng độ biến thiên điện tích của một tụ, ví dụ ΔQ=C2∣U−U2∣\Delta Q=C_2\lvert U-U_2\rvert.

Năng lượng không bảo toàn: một phần biến thành nhiệt toả ra trong dây và bức xạ điện từ khi các điện tích dao động. Nối cùng dấu:

ΔW=Wtrước−Wsau=12 C1C2C1+C2 (U1−U2)2 ≥0,\Delta W=W_{\text{trước}}-W_{\text{sau}}=\frac12\,\frac{C_1C_2}{C_1+C_2}\,(U_1-U_2)^2\ \ge0,

bằng 00 chỉ khi U1=U2U_1=U_2 (không có dòng chạy qua dây).

Tương tácNối hai tụ đã tích điện
++++−−−−C₁ = 2 µFU = 100 VQ = 200 µC+++−−−C₂ = 3 µFU = 50 VQ = 150 µCchưa nốinối bản cùng dấu với nhau
Điện tích tổng được bảo toàn, năng lượng thì không: hiệu W trước và sau toả ra thành nhiệt.

Đặt C₁, U₁, C₂, U₂, chọn nối cùng dấu hay trái dấu rồi bấm Nối. Hai hiệu điện thế chạy về cùng một giá trị U, điện tích tổng không đổi nhưng năng lượng giảm. Thử U₁ = U₂ cùng dấu: không có dòng, không mất năng lượng.

02Tóm tắt

Nội dungCông thức
Năng lượng tụW=12QU=12CU2=Q22CW=\tfrac12QU=\tfrac12CU^2=\dfrac{Q^2}{2C}
Hình họcDiện tích tam giác dưới đường QQ–UU
Công suất phóngP=W/t\mathcal P=W/t
Giảm hiệu điện thếΔW=12C(U12−U22)\Delta W=\tfrac12C(U_1^2-U_2^2)
Nối hai tụ cùng dấuU=C1U1+C2U2C1+C2U=\dfrac{C_1U_1+C_2U_2}{C_1+C_2}, ΔW=12C1C2C1+C2(U1−U2)2\Delta W=\tfrac12\dfrac{C_1C_2}{C_1+C_2}(U_1-U_2)^2
Nối hai tụ trái dấuU=∣C1U1−C2U2∣C1+C2U=\dfrac{\lvert C_1U_1-C_2U_2\rvert}{C_1+C_2}

03Mở rộng

Năng lượng nằm ở đâu? Công thức W=12CU2W=\tfrac12CU^2 không nói năng lượng nằm trên bản hay giữa hai bản. Lý thuyết điện từ cho thấy nó nằm trong điện trường giữa hai bản, với mật độ (năng lượng trên mỗi mét khối) tỉ lệ với bình phương cường độ điện trường: w=ε0εE22w=\dfrac{\varepsilon_0\varepsilon E^2}{2} với ε0≈8,85⋅10−12 F/m\varepsilon_0\approx8{,}85\cdot10^{-12}\,\text{F/m}. Đây là lý do mọi nơi có điện trường đều có năng lượng, kể cả khi điện trường lan truyền trong không gian.

Bộ tụ nối tiếp nạp từ nguồn. Hai tụ nối tiếp nối vào nguồn UU chứa tổng năng lượng 12CbU2\tfrac12C_bU^2 và năng lượng chia theo Wi=12Q2/CiW_i=\tfrac12Q^2/C_i, tụ có điện dung nhỏ chứa nhiều hơn.

Tiếp theoPhương pháp →