Một hạt bụi có khối lượng \[m = {10^{ - 11}}\,\,g\] nằm trong khoảng hai tấm kim loại song song nằm ngang và nhiễm điện trái dấu. Khoảng cách giữa hai bản \[d = 0,5\,\,cm\]. Chiếu ánh sáng tử ngoại vào hạt bụi, do mất một phần điện tích, hạt bụi sẽ mất cân bằng. Để thiết lập lại cân bằng, người ta phải tăng hiệu điện thế giữa hai bản lên một lượng \[\Delta U = 34\,\,V\]. Biết rằng hiệu điện thế giữa hai bản lúc đầu bằng \[306,3\,\,V\]. Lấy \[g = 10\,\,m/{s^2}\]. Điện lượng đã mất đi là?
Một electron bay trong điện trường giữa hai bản kim loại đặt song song, đã tích điện và cách nhau \[2\,\,cm\], với vận tốc \[{3.10^7}\,\,m/s\] theo phương song song với các bản. Khi electron đi được đoạn đường \[5\,\,cm\], nó bị lệch đi \[2,5\,\,mm\] theo phương của đường sức điện trong điện trường? Coi điện trường giữa hai bản là điện trường đều. Bỏ qua tác dụng của trọng lực của electron. Hiệu điện thế giữa hai bản gần giá trị nào sau đây nhất?
LÝ THUYẾT VÀ CÁC DẠNG BÀI TẬP TỤ ĐIỆN
A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1.Tụ điện
-Định nghĩa : Hệ 2 vật dẫn đặt gần nhau, mỗi vật là 1 bản tụ. Khoảng không gian giữa 2 bản là chân không hay điện môi. Tụ điện dùng để tích và phóng điện trong mạch điện.
-Tụ điện phẳng có 2 bản tụ là 2 tấm kim loại phẳng có kích thước lớn ,đặt đối diện nhau, song song với nhau.
2. Điện dung của tụ điện
- Là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ
\[C=\frac{Q}{U}\] [Đơn vị là F, mF….]
- Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng:
.\[C=\frac{\varepsilon .S}{9.10^{9}.4\pi .d}\] Với S là phần diện tích đối diện giữa 2 bản.
Ghi chú : Với mỗi một tụ điện có 1 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 2 bản bị đánh thủng.
4. Năng lượng của tụ điện
- Khi tụ điện được tích điện thì giữa hai bản tụ có điện trường và trong tụ điện sẽ dự trữ một năng lượng. Gọi là năng lượng điện trường trong tụ điện.
- Công thức: \[W=\frac{Q.U}{2}=\frac{C.U^{2}}{2}=\frac{Q^{2}}{2C}\]
B. CÁC DẠNG BÀI TẬP CƠ BẢN
Dạng : Tính điện dung, điện tích, hiệu điện thế và năng lượng của tụ điện
Phương pháp: Sử dụng các công thức sau
- Công thức định nghĩa : C[F] = \[\frac{Q}{U}\] => Q = CU
- Điện dung của tụ điện phẳng : C =\[\frac{\varepsilon S}{4k\pi d}\]
- Công thức: \[W=\frac{Q.U}{2}=\frac{C.U^{2}}{2}=\frac{Q^{2}}{2C}\]
Chú ý: + Nối tụ vào nguồn: U = hằng số
+ Ngắt tụ khỏi nguồn: Q = hằng số
C. BÀI TẬP ÁP DỤNG
Bài 1 : một tụ điện phẳng hình tròn có bán kính là 4cm, giữa hai bản là một lớp điện môi có \[\varepsilon =2\], khoảng cách giữa hai bản là 2cm. Đặt vào tụ hiệu điện thế U = 200V.
a. Tính điện dung của tụ
b. Điện tích của tụ điện
c. Năng lượng của tụ điện
Bài 2 : cho hai bản của một tụ điện phẳng có dạng hình tròn bán kính R = 30cm, khoảng cách giữa hai bản là d = 5mm, môi trường giữa hai bản là không khí.
a. Tính điện dung của tụ điện
b. Biết rằng không khí chỉ còn tính chất cách điện khi cường độ điện trường tối đa là 3.105V/m. Hỏi :
a] hiệu điện thế lớn nhất giữa hai bản mà chưa xảy ra phóng điện
b] có thể tích điện cho tụ điện điện tích lớn nhất là bao nhiêu mà tụ điện không bị đánh thủng ?
ĐS : a] 5.10-10F, b] Ugh = 1500V và Qgh = 75.10-8C.
Bài 3 : Tụ điện phẳng gồm hai bản tụ hình vuông cạnh a = 20 cm, đặt cách nhau 1 cm, chất điện môi giữa hai bản tụ là thủy tinh có \[\varepsilon\] = 6. Hiệu điện thế giữa hai bản tụ là 50V.
a. Tính điện dung của tụ?
b. Tính điện tích mà tụ đã tích được?
c. Nếu tụ được tích điện dưới hiệu điện thế U’ thì năng lượng điện trường tích lũy trong tụ là 531.10-9 J. Tính điện tích trên mỗi bản tụ khi đó?
ĐS:a]2,12.10-10F; b]1,06.10-8C; c]1,5.10-8C
Bài 4: Một tụ điện phẳng có điện môi không khí; khoảng cách giữa 2 bản là d = 0,5 cm; diện tích một bản là 36 cm2. Mắc tụ vào nguồn điện có hiệu điện thế U=100 V.
1. Tính điện dung của tụ điện và điện tích tích trên tụ.
2. Tính năng lượng điện trường trong tụ điện.
3. Nếu người ta ngắt tụ điện ra khỏi nguồn rồi nhúng nó chìm hẳn vào một điện môi lỏng có hằng số điện môi ε = 2. Tìm điện dung của tụ và hiệu điện thế của tụ.
4. Nếu người ta không ngắt tụ khỏi nguồn và đưa tụ vào điện môi lỏng như ở phần 3. Tính điện tích và hđt giữa 2 bản tụ
Tất cả nội dung bài viết. Các em hãy xem thêm và tải file chi tiết dưới đây:
Luyện Bài tập trắc nghiệm môn Vật lý lớp 11 - Xem ngay
>> Học trực tuyến Lớp 11 trên Tuyensinh247.com. Cam kết giúp học sinh lớp 11 học tốt, hoàn trả học phí nếu học không hiệu quả.
14:29:0009/10/2019
Vậy Tụ điện là gì? Tụ điện có công dụng gì, làm sao thể tích điện cho tụ điện? Công thức tính điện dung của tụ viết thế nào? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.
I. Tụ điện là gì?
1. Tụ điện là gì?
- Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện.
- Tụ điện dùng để chứa điện tích.
- Tụ điện có nhiệm vụ tích và phóng điện trong mạch điện nên được dùng phổ biến trong các mạch điện xoay chiều và các mạch vô tuyến điện.
- Phổ biến là tụ điện phẳng gồm hai bản kim loại phẳng [thường là giấy thiếc, kẽm hoặc nhôm] đặt song song với nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp điện môi [thường là lớp giấy tẩm một chất cách điện như parafin]. Hai bản kim loại này gọi là hai bản của tụ điện. Hai bản và lớp cách điện được cuộn lại và đặt trong một vỏ bằng kim loại.
- Trong mạch điện, tụ điện được biểu diễn bằng kí hiệu như hình sau:
2. Cách tích điện cho tụ điện
- Để tích điện cho tụ điện, ta nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện như hình sau:
- Điện tích của hai bản có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu. Ta gọi điện tích của bản dương là điện tích của tụ điện.
II. Điện dung của tụ điện là gì
1. Định nghĩa điện dung của tụ điện
- Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định.
- Điện dung của tụ điện được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó.
- Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng:
2. Đơn vị điện dung
- Đơn vị điện dung là fara, kí hiệu là 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 10-16 F.
1μF = 10-6[F]; 1nF = 10-9[F]; 1pF = 10-12[F];
3. Các loại tụ điện
- Người ta thường lấy tên của lớp điện môi để đặt tên cho tụ điện
- Các loại tụ điện như: Tụ không khí, tụ giấy, tụ mica, tụ sứ, tụ gốm,... tụ có điện dung thay đổi được gọ là tụ xoay.
- Lưu ý: Với mỗi một tụ điện có 1 hiệu điện thế giới hạn nhất định, nếu khi sử dụng mà đặt vào 2 bản tụ hiệu điện thế lớn hơn hiệu điện thế giới hạn thì điện môi giữa 2 bản bị đánh thủng.
* Ví dụ: Trên vỏ mỗi tụ điện thường có ghi cặp số liệu, chẳng hạn như 12mF ~ 250[V]. Số liệu thứ nhất cho biết điện dung của tụ điện. Số liệu thứ hai chỉ giá trị giới hạn của hiệu điện thế đặt vào hai cực của tụ. Vượt quá giới hạn đó tụ có thể hỏng.
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 tính năng lượng điện trường trong tụ điện:
- Mọi điện trường đều mang năng lượng.
III. Bài tập Tụ điện, điện dung của tụ điện
* Bài 1 trang 33 SGK Vật Lý 11: Tụ điện là gì? Tụ điện phẳng có cấu tạo như thế nào?
° Lời giải bài 1 trang 33 SGK Vật Lý 11:
- 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.
- Công dụng của tụ điện: tích và phóng điện trong mạch 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.
- Ký hiệu tụ điện trong mạch điện : C
* Bài 2 trang 33 SGK Vật Lý 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 bài 2 trang 33 SGK Vật Lý 11:
- Để tích điện cho tụ, người ta nối hai bản tụ với hai cực của nguồn điện. Bản nối với cực dương sẽ tích điện dương, bản nối với cực âm sẽ tích điện âm. Điện tích của hai bản có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu.
- Người ta gọi điện tích của bản dương là điện tích của tụ điện.
* Bài 3 trang 33 SGK Vật Lý 11: Điện dung của tụ điện là gì?
° Lời giải bài 3 trang 33 SGK Vật Lý 11:
- Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định, được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện với hiệu điện thế giữa hai bản của nó.
- Đơn vị điện dung: Fara [F]
* Bài 4 trang 33 SGK Vật Lý 11: Năng lượng của một tụ điện tích điện là dạng năng lượng gì?
° Lời giải bài 4 trang 33 SGK Vật Lý 11:
- Khi tụ điện tích điện, giữa hai bản tụ tồn tại một điện trường ⇒ Năng lượng của một tụ điện tích điện là năng lượng điện trường.
* Bài 5 trang 33 SGK Vật Lý 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.
Hãy lựa chọn câu phát biểu đúng.
° Lời giải bài 5 trang 33 SGK Vật Lý 11:
◊ Chọn đáp án: D. C không phụ thuộc vào Q và U.
- Điện dung của tụ điện được tính bởi công thức:
⇒ C chỉ phụ thuộc vào cấu tạo của tụ điện, không phụ thuộc vào Q và U.
* Bài 6 trang 33 SGK Vật Lý 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 bài 6 trang 33 SGK Vật Lý 11:
◊ Chọn đáp án: C. Giấy tẩm dung dịch muối ăn
- Vì dung dịch muối ăn là chất dẫn điện nên trường hợp C không phải là tụ điện.
* Bài 7 trang 33 SGK Vật Lý 11: Trên vỏ một tụ điện có ghi 20μF-200V. Nối hai bản của tụ điện với một hiệu điện thế 120V.
a] Tính điện tích của tụ điện.
b] Tính điện tích tối đa mà tụ điện tích được.
° Lời giải bài 7 trang 33 SGK Vật Lý 11:
a] Trên vỏ một tụ điện có ghi 20μF – 200V.
⇒ C = 20 μF = 20.10-6 F, Umax = 200V
- Khi nối hai bản của tụ điện với hiệu điện thế 120V thì tụ sẽ tích điện là:
Q = C.U = 20.10-6.120 = 2400.10-6 [C] = 24.10-4 [C] = 2400 [μC]
b] Điện tích tối đa mà tụ tích được [khi nối hai đầu tụ vào hiệu điện thế 200V]:
Qmax = C.Umax = 20.10-6.200 = 4.10-3 [C] = 4000 [μC]
- Kết luận: a] Q = 24.10-4 [C]; b] Qmax = 4.10-3 [C].
* Bài 8 trang 33 SGK Vật Lý 11: Tích điện cho một tụ điện có điện dung 20μF dưới hiệu điện thế 60V. 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 bài 7 trang 33 SGK Vật Lý 11:
a] Điện tích của tụ điện: q = C.U = 20.10-6.60 = 12.10-4[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 = 0,001q.U = 0,001.12.10-4.60 = 72.10-6 [J].
c] Điện tích tụ:
- Khi có lượng điện tích Δq' = 0,001q' phóng từ bản dương sang bản âm thì điện trường đã thực hiện một công:
A'= Δq'.U = 0,001.6.10-4.60 = 36.10-6 [J].
- Kết luận: a] q = 12.10-4 [C]; b] A = 72.10-6 [J]; c] A'= 36.10-6 [J].