Tiêu đề CHỦ ĐỀ 20. TỤ ĐIỆN - GV.docx ✅

CHỦ ĐỀ 20 – TỤ ĐIỆN I . TÓM TẮT LÝ THUYẾT – PHƯƠNG PHÁP GIẢI I. TỤ ĐIỆN TỤ, CÁCH TÍCH ĐIỆN CHO TỤ ĐIỆN: 1. Tụ điện là gì? Tụ điện là một loại linh kiện điện tử gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bởi môi trường cách điện ( điện môi ). Mỗi vật dẫn được gọi là một bản tụ điện. - Kí hiệu tụ điện -Tác dụng của tụ điện: + Tụ điện dùng để chứa điện tích. + Trong mạch điện xoay chiều và các mạch vô tuyến điện tụ điện có nhiệm vụ tích và phóng điện trong mạch điện. * Lưu ý: Thường lấy tên của lớp điện môi để đặt tên cho tụ điện: tụ không khí, tụ giấy, tụ mi ca, tụ sứ, tụ gốm,… 2. Cách tích điện cho tụ điện: - Để tích điện cho tụ người ta nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện (bản nối với cực dương sẽ tích điện dương, bản nối với 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. II. ĐIỆN DUNG CỦA TỤ HIỆU: - Trên vỏ tụ điện thường ghi hai thông số kĩ thuật quan trọng là điện dung của tụ điện và hiệu điện thế tối đa được sử dụng (nếu vượt quá hiệu điện thế này tụ điện có nguy cơ bị đánh thủng). - Người ta còn chế tạo tụ điện có điện dung thay đổi được gọi là tụ xoay. - Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện khi đặt một hiệu điện thế U vào hai bản của tụ điện. Nó được tính bằng tỉ số giữa điện tích Q của tụ điện và hiệu điện thế U đặt vào giữa hai bản của tụ điện. Q CQCU U Trong đó: Q là điện tích của tụ điện [C]. U là hiệu điện thế giữa hai bản tụ [V]. C là điện dung của tụ điện [F]. - Đơn vị của điện dung là fara [F]. - Fara là điện dung của tụ điện mà nếu đặt giữa hai bản của nó hiệu điện thế 1 V thì nó tích điện tích 1 C.
- Điện dung của tụ điện phẳng được tính bằng công thức  9 S CF 9.10.4d    Trong đó: S là diện tích của mỗi bản (phần đối diện) [m 2 ]. d là khoảng cách giữa hai bản [m].  là hằng số điện môi của lớp điện môi chiếm đầy giữa hai bản. - Điện dung của tụ điện thường nằm trong khoảng từ 1210 F đến 610 F nên ta thường sử dụng các quy ước sau: mF (milifara. 1mF = 1.10 -3 F F (micrôfara. 1µF = 1.10 -6 F nF (nanôfara 1nF = 1.10 -9 F pF (picôfara. 1pF = 1.10 -12 F III. NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRƯỜNG TRONG TỤ ĐIỆN: - Khi tụ được tích điện, hai bản của tụ điện tích điện trái dấu nhau nên hình thành một điện trường hướng từ bản dương sang bản âm của tụ. Điện trường này có khả năng sinh ra năng lượng (thế năng) nên được gọi là năng lượng điện trường của tụ. - Công thức tính năng lượng tụ điện đã tích điện 2211Q1 WQUCUJ 22C2 IV. ỨNG DỤNG TỤ ĐIỆN Tích trữ năng lượng là chức năng quan trọng của tụ điện và được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện như động cơ xe máy, máy hàn dùng công nghệ phóng điện của tụ, mạch khuếch đại… Ngoài ra, tụ điện còn có một số chức năng khác như lưu trữ điện tích, lọc dòng điện một chiều không cho đi qua mà chỉ cho dòng điện xoay chiều đi qua,… V. GHÉP TỤ ĐIỆN: Ghép nối tiếp Ghép song song Cách mắc Điện tích b12nQ= Q= Q= … = Q b12nQ= Q+ Q+ … + Q Điện dung b12n 1111 ... CCCC b12nC= C+ C+ … + C Ghi chú C B < C 1 , C 2 … C n C b > C n Nếu các tụ có hiệu điện thế giới hạn khác nhau thì hiệu điện thế tối đa đặt vào bản tụ bằng U nhỏ nhất Chú ý + Nối tụ điện vào nguồn thì U = const + Ngắt tụ điện khỏi nguồn thì Q = const PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP
Dạng 1. BÀI TẬP VỀ TÍNH ĐIỆN DUNG, ĐIỆN TÍCH, HIỆU ĐIỆN THẾ VÀ NĂNG LƯỢNG CỦA TỤ ĐIỆN. -Sử dụng các công thức: +Điện dung của tụ điện:  Công thức định nghĩa: C = Q U Q = |Q| = |Q’| là điện tích tụ điện; U là hiệu điện thế giữa hai bản tụ.  Công thức tính điện dung của tụ phẳng: C = εS 4πkd S là diện tích phần đối diện giữa hai bản tụ; d là khoảng cách giữa hai bản tụ. + Điện tích của tụ điện: Q = CU. + Hiệu điện thế của tụ điện: U = Q = Ed C (d là khoảng cách giữa hai bản tụ điện). + Năng lượng của tụ điện (năng lượng điện trường): W = 1 2 QU = 1 2 CU 2 = 1 2 . 2 Q C . - Chú ý: +Đơn vị hệ SI: Điện dung (F): 1  F = 10 -6 F; 1nF = 10 -9 F; 1pF = 10 -12 F; diện tích (m 2 ), khoảng cách (m);... +Các điều kiện của bài toán: nối tụ vào nguồn (U = const); ngắt tụ khỏi nguồn (Q = const). Ví dụ 1: Một tụ điện gồm hai bản song song khoảng cách giữa hai bản là d = 1,00.10 -3 m điện dung của tụ điện là C = 1,77 pF và hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện là 3,00 V. a. Tính độ lớn điện tích của tụ điện?  b. Tính độ lớn của cường độ điện trường trong khoảng không gian giữa hai bản tụ?  Hướng dẫn: a. Độ lớn điện tích của tụ điện là: Q = CU = 1,77.10 −12 .3 = 5,31.10 −12 J b. Độ lớn của cường độ điện trường giữa các bản là: E = U/d = 3,00/(1,00.10 −3 ) = 3000V/m Ví dụ 2: Cho một tụ điện trên vỏ có ghi là 2 uF – 200 V. a. Đặt vào hai bản tụ điện một hiệu điện thế 36 V. Hãy tính điện tích mà tụ điện tích được. b. Hãy tính điện tích mà tụ tích được ở hiệu điện thế tối đa cho phép. Hướng dẫn: a. Trên vỏ tụ điện có ghi 2 μF – 200 V, có nghĩa: - Điện dung của tụ điện: C = 2 μF = 2.10 -6 F, - Điện áp cực đại của tụ: U max = 200V Khi nối hai bản của tụ điện với hiệu điện thế 36V thì tụ sẽ tích điện là: Q = C.U = 2.10 -6 .36 = 7,2.10 -5 (C. b. Điện tích tối đa mà tụ tích được (khi nối hai đầu tụ vào hiệu điện thế 200V): Q max = C.U max = 2.10 -6 .200 = 4.10 -4 (C. Ví dụ 3: Có hai chiếc tụ điện, trên vỏ tụ điện (A. có ghi 2uF – 350V, tụ điện (B. có ghi 2,3uF – 300 V. a. Trong hai tụ điện trên khi tích điện ở cùng một hiệu điện thế, tụ điện nào có khả năng tích điện tốt hơn? b. Khi tích điện lên mức tối đa cho phép thì tụ điện nào sẽ có điện tích lớn hơn? Hướng dẫn:
a. Điện tích mà tụ tích được tỉ lệ thuận với điện dung của tụ. Khi hai tụ trên vào cùng một hiệu điện thế, thì tụ nào có điện dung lớn hơn sẽ tích điện tốt hơn. Do đó tụ B có khả năng tích điện tốt hơn. b. Điện tích mà hai tụ tích đến mức tối đa. Q A = C A .U A = 2.10 −6 .350 = 7.10 −4 (C. Q B = C B .U B = 2,3.10 −6 .300 = 6,9.10 −4 (C. Tụ A có điện tích lớn hơn. Ví dụ 4: Một tụ điện không khí có điện dung 40pF và khoảng cách giữa hai bản là 1cm. Tính điện tích tối đa có thể tích cho tụ, biết rằng khi cường độ điện trường trong không khí lên đến 6V 3.10 m thì không khí sẽ trở thành dẫn điện. Hướng dẫn: Độ lớn điện tích cực đại có thể tích cho tụ: 1266 maxmaxmaxQCUCEd40.10.3.10.0,011,2.10(C) Ví dụ 5: Một tụ điện phẳng điện dung 12 pF, điện môi là không khí. Khoảng cách giữa hai bản tụ 0,5 cm. Tích điện cho tụ điện dưới hiệu điện thế 20 V. Tính: a. Điện tích của tụ điện. b. Cường độ điện trường trong tụ. Hướng dẫn: a. Điện tích của tụ điện là: Q = CU = 12.10 −12 .20 = 2,4.10 -10 (C. b. Cường độ điện trường trong tụ là: E = U/d = 20/0,005 = 4000V/m  Ví dụ 6: Trong một ngày giông bão, xét một đám mây tích điện mang lượng điện tích âm có độ lớn 30 C đang ở độ cao 35 km so với mặt đất. Giả sử đám mây này có dạng đĩa tròn với bán kính 0,8km. Xem như đám mây và mặt đất tương đương với 2 bản của một “tụ điện” phẳng với lớp điện môi giữa 2 bản là không khí. Cho biết, điện dung của tụ điện phẳng có thể được xác định bằng công thức: S C 4kd    Trong đó: k = 9.10 9 N.m 2 /C 2 . : là hằng số điện môi của lớp điện môi giữa 2 bản tụ (  1 với không khí). S (m 2 ): là diện tích của bản tụ. d (m): là khoảng cách giữa 2 bản tụ. a. Xác định giá trị điện dung C của “tụ điện” nói trên. b. Xác định cường độ điện trường trong khoảng giữa đám mây và mặt đất. Giả sử điện trường trong vùng không gian này là điện trường đều. Hướng dẫn: a. Điện dung của "tụ điện" là: 10S C5,1.10F 4kd    b. Hiệu điện thế giữa hai bản tụ là: U = Q/C =30/(5,1.10 −10 ) ≈ 5,9.10 10 V Cường độ điện trường trong khoảng giữa đám mây và mặt đất (giữa hai bản tụ) là: E = U/d = 5,9.10 10 /(35.10 3 ) ≈ 1,7.10 6 V/m Ví dụ 7: Trong một số bàn phím máy tính. Mỗi nút bấm được gắn với một tụ điện phẳng 2 bản song song có mô hình minh họa như hình vẽ. Khi giá trị điện dung của tụ điện thay đổi. Máy tính sẽ ghi nhận tín hiệu tương ứng với kí tự trên bàn phím. Bảng kim loại phía trên của tụ được gắn chặt với nút bấm và có thể di chuyển mỗi khi nhấn nút.