Tiêu đề CHUYEN DE 4 - TU DIEN 40tr.pdf ✅

76 Chuyên đề 4: TỤ ĐIỆN I. KIẾN THỨC CƠ BẢN 1. Tụ điện a. Định nghĩa: Tụ điện là một hệ gồm hai vật dẫn đạt cách điện với nhau, mỗi vật dẫn được gọi là một bản tụ điện. Mỗi tụ điện có hai bản: bản dương và bản âm. b. Điện dung của tụ điện – Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện: C = Q U (Q = |Q| = |Q’| là điện tích tụ điện; U là hiệu điện thế giữa hai bản tụ) – Điện dung của tụ điện phẳng: C = ε π S 4 kd . (S là diện tích phần đối diện giữa hai bản tụ; d là khoảng cách giữa hai bản tụ). – Điện dung của vật dẫn cô lập: C = Q V (V là điện thế của vật dẫn;Q là điện tích của vật dẫn). – Điện dung của tụ điện cầu: C = ε π 1 2 2 1 R R 4 k(R  R ) (R1, R2 là bán kính trong và ngoài của tụ). – Điện dung của tụ điện xoay: C = π (n 1)S 4 kd  , với: + n là số lá tụ, S là diện tích phần đối diện giữa các lá tụ, d là khoảng cách giữa hai lá tụ sát nhau. + Khi tụ xoay, S thay đổi nên C thay đổi: Cmax = π max (n 1)S 4 kd  ; Cmin = π min (n 1)S 4 kd  . c. Ghép các tụ điện Ghép song song: Ghép liên tiếp bản âm của tụ này với bản dương của tụ kế tiếp. Ub = U1 = U2 = ...; Qb = Q1 + Q2 +...; Cb = C1 + C2 +... Ghép nối tiếp: Ghép các bản cùng tên của các tụ lại với nhau. Ub = U1 + U2 + ...; Qb = Q1 = Q2 =...; b 1 2 1 1 1 = + +... C C C Ghép hỗn tạp: Vừa ghép nối tiếp vừa ghép song song. 2. Năng lượng của tụ điện
77 – Năng lượng của tụ điện: W = 1 2 QU = 1 2 CU2 = 1 2 . 2 Q C . – Mật độ năng lượng điện trường: Trong không gian giữa hai bản tụ có điện trường nên có thể nói năng lượng của tụ điện là năng lượng điện trường. Gọi V = Sd là thể tích vùng không gian giữa hai bản tụ thì mật độ năng lượng điện trường là: w = W V = 1 2 . 2 CU Sd = 1 2 . ε π S 2 .(Ed) 4 kd Sd = ε π 2 E 8 k (với tụ điện phẳng). Chú ý: 1 μF = 10–6F; 1nF = 10–9F; 1pF = 10–12F. II. CÁC DẠNG TOÁN Dạng 1. Tính điện dung, điện tích, hiệu điện thế và năng lượng của tụ điện A. Phương pháp giải  Điện dung của tụ điện: Q C U  Trong đó: C là điện dung, đơn vị là fara (F) Q là điện tích mà tụ tích được (C) U là hiệu điện thế giữa hai bản tụ (V)  Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng: 9 .S C 9.10 .4 .d    Trong đó: S là phần diện tích đối diện giữa 2 bản (m2 )  là hằng số điện môi d là khoảng cách giữa hai bản tụ (m)  Năng lượng của tụ điện: 2 2 C Q CU QU W 2C 2 2     Năng lượng của tụ điện phẳng: 2 C 9 .E .V W 9.10 .8.     Mật độ năng lượng điện trường: W 2 E w V k8     (Với V = S.d là thể tích khoảng không gian giữa 2 bản tụ điện phẳng) Lưu ý:  Trên vỏ tụ điện thường ghi (10 F – 250 V), số liệu thứ nhất có nghĩa là điện dung của tụ, số liệu thứ 2 cho biết hiệu điện thế tối đa mà tụ có thể đạt được.  Với mỗi tụ điện có 1 hiệu điện thế giới hạn nhất định, 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. Ta có: Ugh  Egh  gh  gh d Q CU  Điện tích của tụ không đổi khi bị ngắt ra khỏi nguồn. Hiệu điện thế không
78 đổi khi mắc tụ vào nguồn. B. VÍ DỤ MẪU Ví dụ 1: Một tụ điện có ghi 100 nF – 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 điện thế U = 8V. Tính điện tích của tụ khi đó. c) Muốn tích cho tụ điện một điện tích là 0,5 C thì cần phải đặt giữa hai bản tụ một hiệu điện thế là bao nhiêu ? Hướng dẫn giải a) Con số 100 nF cho biết điện dung của tụ điện là 100 nF. Con số 10 V cho biết hiệu điện thế cực đại có thể đặt vào hai bản tụ là 10 V. + Điện tích cực đại tụ có thể tích được:   9 6 Qmax CUmax 100.10 .10 10 C      b) Điện tích tụ tích được khi mắc tụ vào hiệu điện thế U = 8 V là:   9 7 Q CU 100.10 .8 8.10 C      c) Hiệu điện thế cần phải đặt vào giữa hai bản tụ là:   6 9 Q 0,5.10 U 5 V C 100.10      Ví dụ 2: Tụ phẳng có các bản hình tròn bán kính 10cm khoảng cách và hiệu điện thế hai bản là 1cm, 108V. Giữa 2 bản là không khí. Tìm điện tích tụ điện. Hướng dẫn giải – Diện tích phần đối diện của hai bản tụ là: S = π π π 2 2 2 R  .0,1  0,01 (m ) – Điện dung của tụ điện phẳng là: 11 9 9 S 1.0,01. C 2,78.10 F 9.10 .4 .d 9.10 .4 .0,01         – Điện tích của tụ điện là: Q = CU = 2,78.10–11.108 = 3.10–9 C. Vậy: Điện tích của tụ điện là Q = 3.10–9 C. Ví dụ 3: 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 C1, Q1, U1 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. Hướng dẫn giải a) Điện tích Q của tụ Ta có: Q = CU = 2.10–12.600 = 1,2.10–9 C. Vậy: Điện tích của tụ điện là Q = 1,2.10–9 C.