Tổng hợp Lý thuyết và phương pháp giải bài tập về Tụ điện môn Vật lý 11

Lý Thuyết Và Phương Pháp Giải Bài Tập Vật Lý 11 Theo Chủ Đề

TỤ ĐIỆN

- Tụ điện là một hệ gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và cách điện với nhau. Các vật dẫn gọi là các bản của tụ điện. Tụ điện dùng để tích điện và phóng điện trong mạch điện.

- Điện dung C của tụ điện đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ:  

\(C = \frac{Q}{U}\left( F \right)\)

\(\begin{array}{l} 1mF = {10^{ - 3}}F;\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,1\mu F = {10^{ - 6}}F,\,\,\,\\ \,1nF = {10^{ - 9}}F,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,1pF = {10^{ - 12}}F \end{array}\)

+) Điện dung của tụ điện phẳng:

\(C = \frac{{\varepsilon S}}{{{{9.10}^9}.4\pi d}}\)

(với S(m­­²) là phần diện tích giao nhau của hai bản tụ, d(m) là khoảng cách giữa hai bản tụ)

+) Mỗi một tụ điện có một hiệu điện thế giới hạn nhất định, nếu khi sử dụng mà đặt vào 2 bản tụ hđt lớn hơn hđt giới hạn thì điện môi giữa hai bản bị đánh thủng.

- Ghép tụ điện:

Ghép nối tiếp:

\(\begin{array}{l} \frac{1}{{{C_b}}} = \frac{1}{{{C_1}}} + \frac{1}{{{C_2}}} + \frac{1}{{{C_3}}} + ...\\ {U_b} = {U_1} + {U_2} + {U_3} + ...\\ {Q_b} = {Q_1} = {Q_2} = {Q_3} \end{array}\)

Ghép song song

\(\begin{array}{l} {C_b} = {C_1} + {C_2} + ... + {C_n}\\ {U_b} = {U_1} = {U_2} = {U_3} = ...\\ {Q_b} = {Q_1} + {Q_2} + {Q_3} + ... \end{array}\)

- Năng lượng của tụ là năng lượng điện trường chứa trong tụ:   

\(W = \frac{{{Q^2}}}{{2C}} = \frac{1}{2}QU = \frac{{C{U^2}}}{2}\)

+) Năng lượng của tụ phẳng:  \(W = \frac{{\varepsilon {E^2}V}}{{{{9.10}^9}.8\pi }}\)

+) Mật độ năng lượng điện trường của tụ phẳng:    \(w = \frac{W}{V} = \frac{{\varepsilon {E^2}}}{{{{9.10}^9}.8\pi }}\)

(với V=Sd là thể tích vùng không gian giữa 2 bản tụ phẳng).

Ví dụ 1: Một tụ điện có ghi 100nF – 10V a) Cho biết ý nghĩa của con số trên. Tính điện tích cực đại của tụ. b) Mắc tụ trên vào hai điểm có hiệu đến thế U = 8V. Tính điện tích của tụ khi đó. c) Muốn tích cho tụ điện 1 điện tích \(0,5\mu C\) thì cần phải đặt giữa 2 bản tụ 1 hiệu điện thế là bao nhiêu?

Lời giải

a) Con số cho biết điện dung của tụ điện là 100nF. Con số 10V cho biết hiệu điện thế cực đại có thể đặt vào hai bản tụ là 10V.

Điện tích cực đại tụ có thể tích được:  

\({Q_{\max }} = C{U_{\max }} = {100.10^{ - 9}}.10 = {10^{ - 6}}\left( C \right)\)

b) Điện tích tụ tích được khi mắc tụ vào hiệu điện thế U = 8V là:  

\(Q = CU = {100.10^{ - 9}}.8 = {8.10^{ - 7}}\left( C \right)\)

c) Hiệu điện thế cần phải đặt vào giữa 2 bản tụ là:  

\(U = \frac{Q}{C} = \frac{{0,{{5.10}^{ - 6}}}}{{{{100.10}^{ - 9}}}} = 5\left( V \right)\)

Ví dụ 2: Một tụ phẳng có các bản hình tròn bán kính 10cm, khoảng cách và hiệu điện thế hai bản tụ là 1cm; 108V.  Giữa 2 bản là không khí. Tìm điện tích của tụ điện.

Lời giải

Điện dung của tụ điện:

\(C = \frac{{\varepsilon S}}{{4\pi kd}} = \frac{{\pi {R^2}}}{{4\pi kd}} = \frac{{0,{1^2}}}{{{{4.9.10}^9}.0,01}} = 2,{78.10^{ - 11}}F\) 

Điện tích của tụ  :

\(Q = CU = 2,{78.10^{ - 11}}{.10^8} = {3.10^{ - 9}}C\)

Ví dụ 3: Hai bản tụ điện phẳng có dạng hình tròn bán kính R = 60cm, 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 \({3.10^5}V/m\) ?

Lời giải

Điện dung của tụ điện  
\(C = \frac{{\pi {R^2}}}{{4\pi kd}} = \frac{{0,{6^2}}}{{{{4.9.10}^6}{{.2.10}^{ - 3}}}} = {5.10^{ - 9}}F\)

Hiệu điện thế lớn nhất có thể đặt vào hai đầu bản tụ là  :

\(U = Ed = {3.10^5}.0,002 = 600V\)

Điện tích lớn nhất tụ tích được để không bị đánh thủng là  :

\(Q = CU = {5.10^{ - 9}}.600 = {3.10^{ - 6}}C\)

Ví dụ 4: Tụ điện phẳng không khí có điện dung C = 500pF tích điện đến hiệu điện thế U = 300V . a) Ngắt tụ khỏi nguồn, nhúng vào chất điện môi lỏng \(\varepsilon  = 2.\) Hiệu điện thế, năng lượng điện trường giữa hai bản tụ điện bằng nhiêu? b) Vẫn nối tụ với nguồn, nhúng vào chất điện môi lỏng (\varepsilon  = 2.\) Hiệu điện thế, năng lượng điện trường giữa hai bản tụ điện bằng nhiêu?

Lời giải

a) Khi đặt trong không khí điện tích của tụ là  :

\(Q = CU = {500.10^{ - 12}}.300 = 1,{5.10^{ - 7}}C\)

Ngắt tụ khỏi nguồn và nhúng vào chất điện môi thì:

Điện tích trên tụ là không đổi  \(Q' = Q = 1,{5.10^{ - 7}}C\)

Điện dung của tụ tăng:

  \(C' = \frac{{\varepsilon S}}{{4\pi kd}} = \varepsilon C = {10^{ - 9}}F\)

Năng lượng trong lòng bản tụ:  

\(W{'_d} = \frac{{Q{'^2}}}{{2C'}} = \frac{{{Q^2}}}{{2\varepsilon C}} = \frac{{{{\left( {1,{{5.10}^{ - 7}}} \right)}^2}}}{{{{2.2.500.10}^{ - 12}}}} = 1,{125.10^{ - 5}}J\)

b) Vẫn nối tụ với nguồn và nhúng vào chất điện môi thì:

Hiệu điện thế trên tụ không đổi:  U' = U = 300V

Điện dung của tụ tăng:  

\(C' = \frac{{\varepsilon S}}{{4\pi kd}} = \varepsilon C = {10^{ - 9}}F\)

Điện tích tích trên tụ tăng:  

\(Q = C'U' = {300.10^{ - 9}}C\)

Năng lượng trong lòng tụ tăng:  

\(W' = \frac{1}{2}C'U{'^2} = \frac{1}{2}\varepsilon CU = \frac{1}{2}{.2.10^{ - 9}}.300 = {300.10^{ - 9}}J\)

Ví dụ 5: Tụ phẳng không khí điện dung C = 2pF được tích điện ở hiệu điện thế U = 600V. 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 \({C_1},{Q_1},{U_1},{W_1}\) của tụ c) Vẫn nối tụ với nguồn, đưa hai bản tụ ra xa để khoảng cách tăng gấp 2 lần. Tính \({C_2},{Q_2},{U_2}\) của tụ

Lời giải

a) Điện tích của tụ:  

\(Q = CU = {2.10^{ - 2}}.600 = 1,{2.10^{ - 9}}C\)

b) Khi ngắt tụ khỏi nguồn, điện tích tụ không đổi nên  \({Q_1} = Q = 1,{2.10^{ - 9}}C\)

Điện dung của tụ điện:  

\({C_1} = \frac{{\varepsilon S}}{{{{9.10}^9}.4\pi .2d}} = \frac{C}{2} = {10^{ - 12}}F = 1pF\)

Hiệu điện thế của tụ điện:  

\({U_1} = \frac{{{Q_1}}}{{{C_1}}} = \frac{{1,{{2.10}^{ - 9}}}}{{{{10}^{ - 12}}}} = 1200V\)

c) Khi vẫn nối tụ với nguồn điện: hiệu điện thế giữa 2 bản tụ không đổi:  \({U_2} = U = 600V\)

Điện dung của tụ:  

\({C_2} = \frac{{\varepsilon S}}{{{{9.10}^9}.4\pi .2d}} = \frac{C}{2} = {10^{ - 12}}F = 1pF\)

Điện tích của tụ:  

\({Q_2} = {C_2}{U_2} = {10^{ - 12}}.600 = 0,{6.10^{ - 9}}C\)

 

...

---Để xem tiếp nội dung Chuyên đề Tổng hợp Lý thuyết và phương pháp giải bài tập về Tụ điện môn Vật lý 11, các em vui lòng đăng nhập vào trang Chúng tôi để xem online hoặc tải về máy tính---

Trên đây là một phần trích đoạn nội dung Tổng hợp Lý thuyết và phương pháp giải bài tập về Tụ điện môn Vật lý 11. Để xem toàn bộ nội dung các em chọn chức năng xem online hoặc đăng nhập vào trang Chúng tôi để tải tài liệu về máy tính.

Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các em học sinh ôn tập tốt và đạt thành tích cao trong học tập .

Các em quan tâm có thể tham khảo thêm các tài liệu cùng chuyên mục:

• Tóm tắt kiến thức và công thức chương 1 Điện tích- Điện tích trường môn Vật lý 11

• Bài tập tổng hợp Điện tích- Điện trường hay và khó Vật lý 11

• Bài tập tổng hợp nâng cao Điện tích- Định luật Culong Vật lý 11

Chúc các em học tập tốt !