BÀI 6: TỤ ĐIỆN
A. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Tụ điện
+ Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện. Mỗi vật dẫn đó gọi là một bản của tụ điện.
- Tụ điện dùng để chứa điện tích.
- Tụ điện là dụng cụ được dùng phổ biến trong các mạch điện xoay chiều và các mạch vô tuyến điện, Nó có nhiệm vụ tích và phóng điện trong mạch điện.
- Tụ điện được dùng phổ biến là tụ điện phẳng. Cấu tạo của tụ điện phẳng gồm hai bản kim loại phẳng đặt song song với nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp điện môi.
- Kí hiệu tụ điện trong mạch điện
+ Cách tích điện cho tụ điện.
- Muốn tích điện cho tụ điện, người ta nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện như hình vẽ
- Bản nối cực dương sẽ tích điện dương, bản nối cực âm sẽ tích điện âm.
- Độ lớn điện tích trên mỗi bản của tụ điện khi đã tích điện gọi là điện tích của tụ điện.
- Người ta gọi điện tích của bản dương là điện tích của tụ điện.
2. Điện dung của tụ điện
+ Định nghĩa: Điện dung của tụ là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ. Nó được xác định theo công thức được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó.
+ Công thức: \(C=\frac{Q}{U}=const.\)
- Với: Q là độ lớn điện tích trên mỗi bản tụ (hai bản tụ tích điện trái dấu và cùng độ lớn).
U là hiệu điện thế giữa hai bản.
C là điện dung của tụ điện ; đơn vị : fara, kí hiệu F.
+ Đơn vị điện dung:
- Đơn vị điện dung là Fara, kí hiệu là F.
- Trong công thức \(C=\frac{Q}{U}\) nếu Q đo bằng đơn vị Cu-lông (C), U đo bằng đơn vị là Vôn (V) thì C đo bằng đơn vị fara (F).
- Fara là điện dung của một tụ điện mà nếu đặt giữa hai bản của nó hiệu điện thế 1 V thì nó tích được điện tích 1 C.
- Các tụ điện thường dùng chỉ có điện dung từ 10-12 F đến 10-6 F. Vì vậy ta thường dùng các ước của fara:
1 micrôfara (kí hiệu là μF) = 1.10-6 F.
1 nanôfara (kí hiệu là nF) = 1.10-9 F.
1 picôfara (kí hiệu là pF) = 1.10-12 F.
3. Các loại tụ điện
- Người ta lấy tên của lớp điện môi để đặt tên cho tụ điện: tụ không khí, tụ giấy, tụ mica, tụ sứ, tụ gốm,…
Trên bỏ mỗi tụ điện thường có ghi cặp số liệu như 10 μF – 250 μF, cho biết điện dung của tụ và hiệu điện thế giới hạn có thể đặt vào hai cực của tụ.
- Người ta còn chế tạo tụ điện có điện dung thay đổi được (còn gọi là tụ xoay).
Tụ xoay có một bản cố định (thực ra là một hệ thống bản) hình bán nguyệt và một bản linh động cũng hình bán nguyệt. Bản linh động có thể xoay quanh một trục vuông góc với bản cố định tại tâm. Khi xoay bản linh động, diện tích của phần đối diện giữa hai bản sẽ thay đổi làm cho điện dung của tụ điện thay đổi.
4. Năng lượng của điện trường trong tụ điện
- Khi tụ điện tích điện thì điện trường trong tụ điện sẽ dự trữ một năng lượng, đó là năng lượng điện trường.
- Công thức: \(\text{W}=\frac{{{Q}^{2}}}{2C}\)
B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Dạng 1. Xác định các đại lượng đặc trưng của tụ điện
+ Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng : \(C=\frac{\varepsilon S}{4.\pi kd}.\)
+ Khi nối hai bản của tụ điện với hiệu điện thế U thì tụ sẽ tích được điện Q = C.U.
- Khi nối tụ điện với nguồn thì U = const.
- Khi ngắt tụ điện khỏi nguồn thì Q = const (cô lập về điện).
- Bình thường tụ điện là vật cách điện (do giữa chúng là điện môi).
- Nếu cường độ điện trường giữa hai bản tụ lớn hơn E giới hạn thì điện môi bị “đánh thủng”, tụ điện bị hỏng vì nó đã trở thành vật dẫn điện.
Dạng 2. Ghép tụ điện
+ Bám vào đề bài để viết cấu trúc mạch.
+ Tùy thuộc vào cách ghép để vận dụng công thức tương ứng.
| Cách ghép | Ghép song song (C1 // C2 // …//Cn) | Ghép nối tiếp (C1 nt C2 nt…nt Cn) |
| Điện tích | \({{Q}_{b}}={{Q}_{1}}+{{Q}_{2}}+...+{{Q}_{n}}\) | \({{Q}_{b}}={{Q}_{1}}={{Q}_{2}}=...={{Q}_{n}}\) |
| Hiệu điện thế | \({{U}_{b}}={{U}_{1}}={{U}_{2}}=...={{U}_{n}}\) | \({{U}_{b}}={{U}_{1}}+{{U}_{2}}+{{U}_{3}}+...+{{U}_{n}}\) |
| Điện dung | \({{C}_{b}}={{C}_{1}}+{{C}_{2}}+...+{{C}_{n}}\) | \(\frac{1}{{{C}_{b}}}=\frac{1}{{{C}_{1}}}+\frac{1}{{{C}_{2}}}+...+\frac{1}{{{C}_{n}}}\) |
| Chú ý | + Ghép song song điện dung bộ tăng lên, \({{C}_{b}}>{{C}_{i}}\) (với mọi i, \(i=1\to n)\) + Nếu các tụ điện giống nhau \({{C}_{1}}={{C}_{2}}=...={{C}_{n}}=C\) thì \({{C}_{b}}=n.C\) | + Ghép nối tiếp điện dung bộ giảm đi \({{C}_{b}}<{{C}_{i}}\) (với mọi i, \(i=1\to n)\) + Nếu các tụ điện giống nhau \({{C}_{1}}={{C}_{2}}=...={{C}_{n}}=C\) thì \({{C}_{b}}=\frac{C}{n}\) |
+ Một số lưu ý khi giải bài ghép tụ:
- Với công thức Q = CU thì hiệu điện thế U của đoạn mạch nào thì điện dung C và điện tích Q của đoạn mạch đó.
- Các bước cơ bản thường là: vẽ lại mạch (nếu cần), viết cấu trúc mạch, tìm điện dung tương đương C của bộ tụ, tính Q của bộ, tính Uk trên từng đoạn, tính Qi của từng tụ.
- Để tính toán đơn giản thì khi gặp mạch song song ta nên tính U// trước (vì U// giống nhau), còn mạch nối tiếp thì tính Qnt trước (vì Qnt giống nhau).
C. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Câu C1 (trang 30 SGK Vật Lí 11):
Sau khi tích điện cho tụ điện, nếu nối hai bản bằng một dây dẫn thì sẽ xảy ra hiện tượng gì?
Trả lời:
Sau khi tích điện cho tụ điện, nếu nối hai bản bằng một dây dẫn thì sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện từ bản này qua bản kia qua dây dẫn, kết quả là tụ điện sẽ mất hết điện tích. Đó là vì điện trường do các điện tích của tụ điện tạo ra trong dây dẫn sẽ làm cho các êlectron tự do trong dây dẫn chạy theo chiều từ bản âm sang bản dương, làm cho êlectron của bản âm giảm dần và điện tích dương của bản dương bị trung hòa dần cho đến khi hết hẳn.
D. CÂU HỎI – BÀI TẬP
Bài 1 (trang 33 SGK Vật Lí 11):
Tụ điện là gì? Tụ điện phẳng có cấu tạo như thế nào?
Lời giải:
- Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện. Nó dùng để tích điện.
- Tụ điện phẳng: cấu tạo gồm hai bản kim loại phẳng đặt song song với nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp điện môi.
Bài 2 (trang 28 SGK Vật Lí 11):
Làm thế nào để tích điện cho tụ điện? Người ta gọi điện tích của tụ điện là điện tích của bản nào?
Lời giải:
- Muốn tích điện cho tụ điện, người ta nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện như hình vẽ
- Bản nối cực dương sẽ tích điện dương, bản nối cực âm sẽ tích điện âm.
- Độ lớn điện tích trên mỗi bản của tụ điện khi đã tích điện gọi là điện tích của tụ điện.
- Người ta gọi điện tích của bản dương là điện tích của tụ điện.
Bài 3 (trang 33 SGK Vật Lí 11):
Điện dung của tụ điện là gì?
Lời giải:
+ Định nghĩa: Điện dung của tụ là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ. Nó được xác định theo công thức được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó.
+ Công thức: \(C=\frac{Q}{U}=const.\)
- Với: Q là độ lớn điện tích trên mỗi bản tụ (hai bản tụ tích điện trái dấu và cùng độ lớn).
U là hiệu điện thế giữa hai bản.
C là điện dung của tụ điện ; đơn vị : fara, kí hiệu F.
Bài 4 (trang 33 SGK Vật Lí 11):
Năng lượng của một tụ điện tích điện là dạng năng lượng gì?
Lời giải:
- Khi tụ điện tích điện thì điện trường trong tụ điện sẽ dự trữ một năng lượng, đó là năng lượng điện trường.
- Công thức: \(\text{W}=\frac{{{Q}^{2}}}{2C}\)
Bài 5 (trang 33 SGK Vật Lí 11):
Gọi Q, C và U là điện tích, điện dung và hiệu điện thế giữa hai bản của một tụ điện. Phát biểu nào dưới đây là đúng?
A. C tỉ lệ thuận với Q. B. C tỉ lệ nghịch với U.
C. C phụ thuộc vào Q và U. D. C không phụ thuộc vào Q và U.
Lời giải: Chọn D.
Đối với mỗi tụ điện, điện dung của tụ là xác định và không phụ thuộc vào Q và U: \(C=\frac{\varepsilon S}{4.\pi kd}.\)
Bài 6 (trang 33 SGK Vật Lí 11):
Trong trường hợp nào dưới đây, ta không có một tụ điện?
Giữa hai bản kim loại là một lớp
A. mica. B. nhựa pôliêtilen.
C. giấy tẩm dung dịch muối ăn. D. giấy tẩm parafin.
Lời giải: Chọn C.
- Lớp điện môi nằm giữa hai bản của tụ điện phải là chất cách điện.
- Dung dịch muối ăn muối ăn là chất dẫn điện nên không thể dùng làm điện môi trong tụ điện.
Bài 7 (trang 33 SGK Vật Lí 11):
Trên vỏ một tụ điện có ghi 20 μF - 200 V. Nối hai bản của tụ điện với một hiệu điện thế 120 V.
a) Tính điện tích của tụ điện.
b) Tính điện tích tối đa mà tụ điện tích được.
Lời giải:
a) Trên vỏ một tụ điện có ghi 20 μF – 200 V ⇒ C = 20 μF = 20.10-6 F, Umax = 200 V.
Khi nối hai bản của tụ điện với hiệu điện thế 120 V thì tụ sẽ tích điện là:
Q = C.U = 20.10-6.120 = 2400.10-6 C = 2400 μC
b) Điện tích tối đa mà tụ tích được (khi nối hai đầu tụ vào hiệu điện thế 200 V):
Qmax = C.Umax = 20.10-6.200 = 4.10-3 C = 4000 μC.
Bài 8 (trang 33 SGK Vật Lí 11):
Tích điện cho một tụ điện có điện dung 20 μF dưới hiệu điện thế 60 V. Sau đó cắt tụ điện ra khỏi nguồn.
a) Tính điện tích q của bản tụ.
b) Tính công mà điện trường trong tụ điện sinh ra khi phóng điện tích Δq = 0,001q từ bản dương sang bản âm.
c) Xét lúc điện tích của tụ chỉ còn bằng q/2. Tính công mà điện trường trong tụ sinh ra khi phóng điện tích Δq như trên từ bản dương sang bản âm lúc đó.
Lời giải:
a) Điện tích của tụ điện : q = C.U = 20.10-6.60 = 12.10-14 C
b) Khi trong tụ phóng điện tích Δq = 0,001q từ bản dương sang bản âm, điện trường bên trong tụ điện đã thực hiện công là: A = Δq.U = 0,001. 12.10-4 . 60 = 72.10-6 J.
c) Điện tích tụ chỉ còn là q’ = q/2 = 6.10-4 C. Khi đó lượng điện tích Δq’ = 0,001q’ phóng từ bản dương sang bản âm thì điện trường đã thực hiện một công là:
A’ = Δq’.U = 0,001. 6.10-4.60 = 36.10-6 J.
Trên đây là gợi ý giải bài tập Vật Lý 11 bài Tụ điện do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc các bạn học tập vui vẻ.