Lý thuyết và bài tập về tụ điện - Vật lý 11

Tác giả Hoàng Uyên 10:02 06/12/2023 46,109 Tag Lớp 11

Tụ điện được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử quen thuộc như tủ lạnh, tivi, quạt điện… Vậy tụ điện là gì? Cùng theo dõi bài học ngày hôm nay của VUIHOC để hiểu rõ về lý thuyết cũng như các dạng bài tập về tụ điện nhé!

Lý thuyết và bài tập về tụ điện - Vật lý 11

Mục lục bài viết

Mục lục bài viết x

1. Tụ điện là gì?

- Tụ điện là một linh kiện điện tử gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện. Mỗi vật dẫn được gọi là một bản của tụ điện.

- Tụ điện thường được sử dụng trong các mạch điện của các thiết bị điện tử như máy tính, tivi, tủ lạnh, quạt, máy thu thanh…

- Có 2 cách phân loại tụ điện:

+ Dựa vào hình dạng: Tụ điện phẳng, tụ điện cầu, tụ điện trụ

+ Dựa vào môi trường điện môi bên trong: Tụ điện giấy, tụ điện mica, tụ điện không khí…

- Ký hiệu của tụ điện:

- Tụ điện có vai trò nạp điện (tích điện) và phóng điện. Quá trình đó được diễn ra như sau:

+ Quá trình nạp điện (tích điện): Nối hai bản tụ điện vào hai cực của nguồn điện một chiều.

+ Quá trình phóng điện: Nối hai bản tụ điện đã được nạp điện với một điện trở. Dòng điện khi chạy qua điện trở và điện tích trên tụ điện giảm nhanh chóng, đó chính là quá trình phóng điện.

2. Điện dung của tụ điện

2.1 Điện dung

- Khái niệm: Điện dung của tụ điện là một đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện khi ta đặt một hiệu điện thế U vào hai bản tụ điện. Điện dung được tính bằng tỉ số giữa điện tích Q của tụ điện và hiệu điện thế U đặt vào hai bản tụ điện.

$\large C=\frac{Q}{U}$

- Kí hiệu điện dung là C và đơn vị là fara (F)

- Trong thực tế, các tụ điện thường có điện dung rất nhỏ từ 10^-12F đến 10^-6F. Vì vậy chúng ta thường dùng các ước của fara:

1 microfara = 10^-6F
1 nanofara = 10^-9F
1 picofara = 10^-12F

- Lưu ý: Điện dung của một tụ điện xác định chỉ phụ thuộc vào cấu tạo của tụ điện, không phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện. Trên mỗi tụ điện đều phải có 2 thông số là điện dung và hiệu điện thế tối đa được sử dụng của tụ điện. Ngoài ra tùy vào từng loại tụ điện sẽ có thêm các thông số khác như tần số dòng điện, khoảng nhiệt độ tụ điện hoạt động bình thường…

Nắm trọn bí kíp đạt 9+ thi tốt nghiệp THPT môn Vật lý ngay!

2.2 Điện dung của bộ tụ điện

a. Ghép nối tiếp

Tụ điện ghép nối tiếp là cách nối bản thứ 2 của tụ C1 với bản thứ nhất của tụ C2. Nếu có nhiều tụ điện hơn thì lần lượt bản thứ 2 của tụ điện phía trước sẽ ghép với bản thứ nhất của tụ điện phía sau. Bản thứ nhất của tụ điện C1 sẽ nối với một cực và bản thứ 2 của tụ điện cuối trong mạch điện sẽ ghép với cực kia của nguồn điện.

Nếu gọi U là hiệu điện thế của tụ điện ghép nối tiếp thì ta có: U= U₁+ U₂+ ... + U_n
Trước khi ghép, tụ điện chưa có điện tích nên: Q = Q₁= Q₂= Q_n

- Điện dung tương đương C của tụ điện được tính bằng:

$\large \frac{1}{C}=\frac{1}{C_{1}}+\frac{1}{C_{2}}+...+\frac{1}{C_{n}}$

- Ví dụ: Có 3 tụ điện được ghép nối tiếp với nhau và có điện dung lần lượt là 300 $\mu F$ , 200 $\mu F$ , 600 $\mu F$ . Khi đó điện dung tương đương của bộ tụ được tính như sau:

$\large \frac{1}{C}=\frac{1}{C_{1}}+\frac{1}{C_{2}}+\frac{1}{C_{3}}=\frac{1}{300}+\frac{1}{200}+\frac{1}{600}=\frac{1}{100}$

=> C = 100 $\mu F$

b. Ghép song song

- Tụ điện ghép song song là tụ điện được ghép như hình bên dưới.

- Tụ điện ghép song song sẽ có cùng hiệu điện thế giữa hai cực, khi đó U = U₁ = U₂ = U_n

- Điện dung của tụ điện ghép song song: Q = Q₁+ Q₂ + ... + Q_n

- Điện dung tương đương của bộ tụ ghép song song: C = C₁ + C₂+ ...+ C_n

Lưu ý: Không đặt vào giữa hai cực của tụ điện hiệu điện thế vượt giới hạn hiệu điện thế của mỗi tụ điện.

3. Năng lượng của tụ điện

- Tụ điện là thiết bị được dùng để tích điện và phóng điện dựa trên năng lượng mà tụ điện tích lũy được. Năng lượng của tụ điện chính là công cần thiết A để di chuyển điện tích đến các bản của tụ điện.

- Năng lượng dự trữ trong tụ điện được tính bằng công thức:

$\large W=\frac{1}{2}QU=\frac{1}{2}CU^{2}=\frac{Q^{2}}{2C}$

Đăng ký ngay để đặt mua bộ sách tổng hợp kiến thức và tài liệu ôn thi tốt nghiệp THPT sớm từ vuihoc nhé!

4. Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

Tụ điện có nhiều ứng dụng trong đời sống như dùng trong các thiết bị sạc thông minh sử dụng điện. Các tụ điện có thể sạc điện hàng triệu lần mà không bị chai hay giảm điện dung hay bị hỏng.

Đặc biệt tụ điện còn có ứng dụng quan trọng trong ngành sản xuất ô tô điện. Hiện nay, các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu để sử dụng tụ điện thay thế hoặc hỗ trợ cho pin và ắc quy dùng trong ô tô điện để nâng cao khả năng vận hành và tiết kiệm chi phí sản xuất.

Tụ điện còn có ứng dụng là một linh kiện điện tử được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật như bếp từ, micro…

5. Các dạng bài tập về tụ điện

5.1 Dạng bài tính điện dung, năng lượng của tụ điện

a. Phương pháp giải bài: Áp dụng các công thức:

$\large C=\frac{Q}{U}$

$\large C=\frac{\varepsilon S}{4k\pi d}$

$\large W=\frac{QU}{2}=\frac{CU^{2}}{2}=\frac{Q^{2}}{2C}$

Lưu ý: Nếu tụ điện nối vào nguồn thì U = hằng số. Còn nếu ngắt tụ điện khỏi nguồn thì Q = hằng số.

b. Bài tập áp dụng:

Bài 1: Điện dung của một tụ điện là 2 $\mu F$ Nếu ta đặt một hiệu điện thế 4v vào hai bản tụ thì tụ điện có năng lượng bao nhiêu?

Ta có: Q=C.U= 2.10^-6.4=8.10^-6C

Bài 2: Tính năng lượng của tụ điện có điện dung là 20 $\mu F$ và hiệu điện thế là 5V

Năng lượng mà tụ điện tích được là:

$\large W=\frac{CU^{2}}{2}=\frac{20.10^{-6}.25}{2}=0,25.10^{-3} J$

Bài 3: Điện dung của một tụ điện là 5.10^-6. Điện tích của tụ điện là 86 $\large \mu C$ . Tính hiệu điện thế của hai bản tụ điện

$\large U=\frac{Q}{C}=\frac{86.10^{-6}}{5.10^{-6}}=17,2V$

5.2 Dạng bài tụ điện phẳng

Bài 1: Hai tụ điện phẳng hình tròn có bán kính R = 60cm, khoảng cách giữa 2 bản là d=2mm. Giữa 2 bản là không khí, hãy tính điện dung của tụ điện.

Điện dung của tụ điện là:

$\large C=\frac{\varepsilon \pi R^{2}}{4\pi kd}=\frac{0,6^{2}}{4.9.10^{9}.2.10^{-3}}=5.10^{-9}=5.10^{3}pF$

Bài 2: Một tụ điện phẳng được mắc vào hai cực của một nguồn điện có hiệu điện thế 50 V. Người ta đã ngắt tụ điện đó ra khỏi nguồn điện, sau đó kéo khoảng cách giữa 2 tụ điện tăng lên 2 lần. Hãy tìm hiệu điện thế của tụ khi đó.

Do khoảng cách giữa 2 tụ điện tăng lên 2 lần nên: d' = 2d. Tụ điện sau khi ngắt ra khỏi nguồn điện thì điện tích trên tụ giữ nguyên: Q = C.U = C'. U'.

$\large \rightarrow U'=\frac{C}{C'}.U=\frac{d'}{d}.U=2U =100V$

Bài 3: Đặt trong không khí một tụ điện phẳng, bản tròn có bán kính 2cm, khoảng cách giữa hai bản của tụ điện là 2mm. Điện trường đánh thủng với không khí là 3.10⁶ V/m. Hỏi có thể đặt hiệu điện thế lớn nhất là bao nhiêu vào tụ điện đó?

Hiệu điện thế lớn nhất có thể đặt vào 2 bản của tụ điện tròn đó là: U = E_maxd = 3.10⁶.2.10^-3 = 6000 V

5.3 Dạng bài về tụ điện ghép nối tiếp, tụ điện ghép song song

Bài 1: Có ba tụ điện C₁ = 3nF, C₂ = 2nF, C₃ = 20nF được mắc giống hình minh họa. Ta nối 3 tụ điện với hai cực một nguồn điện có hiệu điện thế là 30V. Hãy tính hiệu điện thế của mỗi tụ điện?

Theo như cách mắc 3 tụ điện trong hình minh họa, ta thấy tụ C₁ được mắc song song với tụ C₂, rồi mắc nối tếp với tụ C₃

$\large C_{12}= C_{1}+C_{2}=5nF$

$\large C_{123}= \frac{C_{12}.C_{3}}{C_{12}+C_{3}}=\frac{5.20}{5+20}=4nF$

=> Q₁₂₃ = Q₃ = Q₁₂ = 4.30 = 120nC

$\large \Rightarrow U_{3}=\frac{Q_{3}}{C_{3}}=\frac{120}{20}=6V$

$\large U_{1}=U_{2}=\frac{Q_{12}}{C_{12}}=24V$

Bài 2: Hai tụ điện có điên dung C₁ = 2μF, C₂ = 3μF lần lượt được tích điện đến hiệu điện thế U₁ = 200 V, U₂ = 400 V. Sau đó nối hai cặp bản tích điện cùng dấu của hai tụ điện với nhau. Hiệu điện thế của bộ tụ có giá trị nào sau đây ?

Khi nối hai cặp bản tích điện cùng dấu của hai tụ điện với nhau => tụ điện được nối song song với nhau.

=> C_b = C₁ + C₂ = 2 + 3 = 5 μF

Điện tích của bộ tụ khi nối hai bản tích điện cùng dấu với nhau là:

Q_b = Q₁ + Q₂ = C₁U₁ + C₂U₂ = 2.200 + 3.400 =1600 μC

$\large \Rightarrow U=\frac{Q_{b}}{C_{b}}=\frac{1600}{5}=320V$

Bài 3: Có 3 tụ điện C1 = 2μF, C2 = C3 = 1μF mắc như hình vẽ. Nối hai đầu của bộ tụ vào hai cực của nguồn điện có hiệu điện thế U = 4 V. Tính điện tích của các tụ điện.

Theo hình vẽ ta thấy tụ C₁ nt (C₂//C₃)

Ta có: C₂₃ = C₂ + C₃ = 2μF

Điện dung của tụ điện là:

$\large C_{b}=\frac{C_{1}.C_{23}}{C_{1}+C_{23}} = 1\mu F$

Điện tích của bộ tụ điện:

Q = Q₁ = Q₂₃ = C_bU = 4.10^-6 C

Q₂₃ = Q₂ + Q₃ = 4.10^-6 C

$\large \rightarrow Q_{2}=Q_{3}=\frac{Q}{2}=2.10^{-6} C$

PAS VUIHOC – GIẢI PHÁP ÔN LUYỆN CÁ NHÂN HÓA

Khóa học online ĐẦU TIÊN VÀ DUY NHẤT:

⭐ Xây dựng lộ trình học từ mất gốc đến 27+

⭐ Chọn thầy cô, lớp, môn học theo sở thích

⭐ Tương tác trực tiếp hai chiều cùng thầy cô

⭐ Học đi học lại đến khi nào hiểu bài thì thôi

⭐ Rèn tips tricks giúp tăng tốc thời gian làm đề

⭐ Tặng full bộ tài liệu độc quyền trong quá trình học tập

Đăng ký học thử miễn phí ngay!!

Trên đây là toàn bộ những kiến thức trọng tâm về tụ điện hòa bao gồm lý thuyết, bài tập và phương pháp giải bài tập về tụ điện. Đây là phần học quan trọng của chương trình vật lý 11 nên các bạn cần hiểu bản chất và nắm rõ kiến thức căn bản. Để ôn thi hiệu quả cũng như mong muốn, các bạn học sinh có thể truy cập ngay vào trang web Vuihoc.vn để đăng ký khoá học với các thầy cô giáo của VUIHOC ngay bây giờ nhé!

>> Mời bạn tham khảo thêm: