GIẢI BÀI TẬP VỀ TỤ ĐIỆN PHẲNG
1. PHƯƠNG PHÁP GIẢI
- Điện dung của tụ điện phẳng:
\(C = \frac{{\varepsilon {\varepsilon _{\rm{o}}}{\rm{S}}}}{d} = \frac{{\varepsilon {\rm{S}}}}{{{{9.10}^9}.4\pi d}}\)
- Trong đó:
S là diện tích phần đối diện giữa 2 bản tụ (m2)
d là khoảng cách giữa 2 bản tụ (m)
ε là hệ số điện môi
- Đối với tụ điện biến thiên thì phần đối diện của hai bản sẽ thay đổi.
- Công thức chỉ áp dụng cho trường hợp chất điện môi lấp đầy khoảng không gian giữa hai bản. Nếu lớp điện môi chỉ chiếm một phần khoảng không gian giữa hai bản thì cần phải phân tích, lập luận mới tính được điện dung C của tụ điện.
2. VÍ DỤ MINH HỌA
Ví dụ 1: Một tụ phẳng có các bản hình tròn bán kính 10 cm, khoảng cách và hiệu điện thế hai bản tụ là 1 cm; 108 V. Giữa hai bản là không khí. Tìm điện tích của tụ điện.
Giải
Ta có điện dung của tụ điện:
\(\begin{array}{l} C = \frac{{\varepsilon {\rm{S}}}}{{{{9.10}^9}.4\pi d}} = \frac{{\varepsilon {R^2}}}{{{{9.10}^9}.4\pi d}}\\ = \frac{{0,12}}{{{{4.9.10}^9}.0,01}} = {2,78.10^{ - 11}}F \end{array}\)
Điện tích của tụ:
Q = CU = 2,78.10-11.108 = 3.10-9 C
Ví dụ 2: Cho một tụ điện phẳng mà hai bản có dạng hình tròn bán kính 2 cm và đặt trong không khí. Hai bản cách nhau 2 mm. Có thể đặt một hiệu điện thế lớn nhất là bao nhiêu vào hai bản tụ điện đó ? Cho biết điện trường đánh thủng đối với không khí là 3.106 V/m.
Giải
Hiệu điện thế lớn nhất có thể đặt vào hai bản tụ là:
U = Emaxd = 3.106.2.10-3 = 6000 V.
Bài 3: Hai bản tụ điện phẳng có dạng hình tròn bán kính R = 60 cm, khoảng cách giữa các bản là d = 2mm. Giữa hai bản là không khí. Có thể tích điện cho tụ điện một điện tích lớn nhất là bao nhiêu để tụ điện không bị đánh thủng ? Biết rằng điện trường lớn nhất mà không khí chịu được là 3.105 V/m.
Giải
- Điện dung của tụ điện:
\(C = \frac{{\pi {R^2}}}{{{{9.10}^9}.4\pi d}} = {5.10^{ - 9}}F\)
- Hiệu điện thế lớn nhất có thể đặt vào hai đầu bản tụ là:
U = Ed = 3.105.0,002 = 600 V.
- Điện tích lớn nhất tụ tích được để không bị đánh thủng là:
Q = CU = 5.10-9.600 = 3.10-6 C
3. BÀI TẬP VẬN DỤNG
Bài 1: Một tụ điện phẳng không khí có điện dung C = 500 pF tích điện đến hiệu điện thế U = 300 V.
a) Ngắt tụ khỏi nguồn, nhúng vào chất điện môi lỏng ε = 2. Hiệu điện thế, năng lượng điện trường giữa hai bản tụ điện bằng bao nhiêu?
b) Vẫn nối tụ với nguồn, nhúng vào chất điện môi lỏng ε = 2. Hiệu điện thế, năng lượng điện trường giữa hai bản tụ bằng bao nhiêu?
Đ/S:
a) Hiệu điện thế của tụ lúc này là 150V
Năng lượng trong lòng bản tụ: 1,125.10-5J
b) Hiệu điện thế trên tụ không đổi:
U’ = U = 300 V
Năng lượng trong lòng tụ: 300.10-9J
Bài 2: Tụ điện phẳng không khí điện dung C = 2pF được tích điện ở hiệu điện thế U = 600 V.
a) Tính điện tích Q của tụ.
b) Ngắt tụ khỏi nguồn, đưa hai bản tụ ra xa để khoảng cách tăng gấp 2. Tính C1, Q1, U1, W1 của tụ.
c) Vẫn nối tụ với nguồn, đưa hai bản tụ ra xa để khoảng cách tăng gấp 2 lần. Tính C2, Q2, U2 của tụ.
Đ/S:
a) Điện tích của tụ: Q = 1,2.10-9 C.
b) Khi ngắt tụ khỏi nguồn: Q1 = 1,2.10-9 C
Điện dung của tụ điện: 1pF
Hiệu điện thế của tụ điện: 1200V
c) Khi vẫn nối tụ với nguồn điện:
- Hiệu điện thế giữa hai bản tụ không đổi: U2 = U = 600 V
Điện dung của tụ: 1pF
Điện tích của tụ:
Q2 = C2U2 = 10-12.600 = 0,6.10-9 C.
Bài 3: Hai bản tụ điện phẳng có dạng hình tròn bán kính R = 60 cm, khoảng cách giữa hai bản là d = 2 mm. Giữa hai bản là không khí. Tính điện dung của tụ điện.
Đ/S: 5.103pF
Bài 4: Một tụ điện phẳng được mắc vào hai cực của một nguồn điện có hiệu điện thế 50 V. Ngắt tụ điện ra khỏi nguồn rồi kéo cho khoảng cách giữa hai bản tụ tăng lên gấp hai lần. Tìm hiệu điện thế của tụ khi đó.
Đ/S: 100V
----------
Trên đây là trích dẫn toàn bộ nội dung tài liệu Chuyên đề giải bài tập về Tụ điện phẳng môn Vật Lý 11 năm học 2020-2021. Mời các em truy cập vào trang Chúng tôi để xem thêm nhiều tài liệu hữu ích khác. Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các em học sinh ôn tập tốt và đạt thành tích cao trong học tập.
Chúc các em học tập tốt !
