Chuyên đề Điện tích, điện trường Vật lí lớp 11 - Nguyễn Văn Thuận

Tụ điện – năng lượng điện trường của tụ
 Chủ đề 03 
A. KIẾN THỨC CƠ BẢN
1. Khỏi niệm về tụ điện
+ Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cỏch nhau bằng một lớp cỏch điện. Mỗi vật dẫn đú gọi là một bản của tụ điện.
+ Tụ điện dựng để chứa điện tớch.
+ Tụ điện là dụng cụ được dựng phổ biến trong cỏc mạch điện xoay chiều và cỏc mạch vụ tuyến điện. Nú cú nhiệm vụ tớch và phúng điện trong mạch điện.
2. Tụ điện phẳng
+ Tụ điện phẳng là tụ điện với hai bản là hai tấm kim loại cú kớch thước rất lớn so với khoảng cỏch giữa hai bản, đặt song song đối diện nhau và cỏch điện với nhau.
+ Khi nối tụ điện với hai cực của nguồn, một bản sẽ mất e, bản kia nhận e và hai bản sẽ tớch điện trỏi dấu, nhưng độ lớn điện tớch trờn 2 bản bằng nhau. 
+ Độ lớn điện tớch trờn mỗi bản của tụ điện khi đó tớch điện gọi là điện tớch của tụ điện.
3. Điện dung của tụ điện
+ Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tớch điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định. 
+ Kớ hiệu điện dung của tụ là C; kớ hiệu trờn sơ đồ mạch điện
+ Cụng thức tớnh điện dung: C = 
+ Đơn vị điện dung là fara (F).
+ Điện dung của tụ điện phẳng: C = .
	Trong đú: S là diện tớch của mỗi bản (phần đối diện); d là khoảng cỏch giữa hai bản và e là hằng số điện mụi của lớp điện mụi chiếm đầy giữa hai bản.
Chỳ ý: Mỗi tụ điện cú một hiệu điện thế giới hạn. Khi hiệu điện thế giữa hai bản tụ vượt quỏ hiệu điện thế giới hạn thỡ lớp điện mụi giữa hai bản tụ bị đỏnh thủng, tụ điện bị hỏng.
4. Ghộp cỏc tụ điện
Cỏc đại lượng
Ghộp song song
Ghộp nối tiếp
Sơ đồ
Hiệu điện thế
U = U1 = U2 =  = Un
U = U1 + U2 +  + Un
Điện tớch của bộ tụ
Q = q1 + q2 +  + qn
Q = q1 = q2 =  = qn
Điện dung của bộ tụ
C = C1 + C2 +  + Cn
Khi chỉ cú 2 tụ
C = C1 + C2
Khi cú n tụ C0 giống nhau
C = nC0
5. Năng lượng điện trường của tụ điện
+ Năng lượng tụ điện chớnh là năng lượng điện trường bờn trong tụ điện: 
+ Năng lượng của tụ chớnh là cụng của nguồn điện để đưa cỏc điện tớch dịch chuyển đến hai bản tụ.
+ Cụng thức năng lượng điện trường của tụ: W = QU = = CU2.
+ Đối với tụ điện phẳng: 
B. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI
Dạng 1: Tớnh điện dung, điện tớch, hiệu điện thế của tụ điện
*Phương phỏp giải bài tập:
+ Cụng thức tớnh điện dung: C = 
+ Điện dung của tụ điện phẳng: C = .
+ Đơn vị điện dung C là fara (F) viết là C (F)
+ Đổi đơn vị điện dung (ước của Fara F)
Đơn vị đo (A)
Mili (mA)
Micrụ ()
Nanụ (nA)
Picrụ (pA)
1 F
1 mF = 10-3 F
1 = 10-6 F
1 nF = 10-9 F
1 pF = 10-12 F
1 C
1 mC = 10-3 C
1 = 10-6 C
1 nC = 10-9 C
1 pC = 10-12 C
1 s
1 ms = 10-3 s
1 = 10-6 s
1 J
1 mJ = 10-3 J
1 = 10-6 J
- Chỳ ý:
+ Tụ điện được nối với nguồn cú hiệu điện thế U thỡ hiệu điện thế của tụ là U khụng đổi.
+ Tụ điện được tớch điện tớch Q. Khi tỏch ra khỏi nguồn, thỡ điện tớch của tụ là Q khụng đổi.
*Bài tập vận dụng:
Bài 1: Một tụ điện phẳng cú hai tấm kim loại, diện tớch của mỗi bản tụ là S = 100 cm2 đặt cỏch nhau d = 2 mm, điện mụi là mica cú hằng số điện mụi là . Tớnh điện tớch của mỗi tụ khi được tớch điện ở hiệu điện thế 220 V. [Q = 5,84.10-8 C]
Bài 2: Hai bản tụ phẳng cú tiết diện là hỡnh trũn bỏn kớnh R = 60 cm, khoảng cỏch giữa hai bản tụ là d = 2 mm. Giữa hai bản là khụng khớ.
Tớnh điện dung của tụ điện [C = 5.10-9 F = 5 nF]
Tỡm điện tớch lớn nhất mà tụ cú thể tớch được để khụng bị đỏnh thủng. Biết cường độ điện trường lớn nhất mà tụ chịu được là 300000 V/m. [Qmax = 3.10-6 C]
Dạng 2: Bài toỏn ghộp tụ điện
*Phương phỏp
Cỏc đại lượng
Ghộp song song
Ghộp nối tiếp
Sơ đồ
Hiệu điện thế
U = U1 = U2 =  = Un
U = U1 + U2 +  + Un
Điện tớch của bộ tụ
Q = q1 + q2 +  + qn
Q = q1 = q2 =  = qn
Điện dung của bộ tụ
C = C1 + C2 +  + Cn
Khi chỉ cú 2 tụ
C = C1 + C2
Khi cú n tụ C0 giống nhau
C = nC0
Chỳ ý: Khi tụ đó được tớch điện trước khi ghộp thỡ điện tớch của bộ tụ trước và sau ghộp là khụng đổi!
* Một số bài tập vận dụng
Bài 1. Cho ba tụ cú điện dung lần lượt là C1 = 1; C2 = 2; C3 = 3. Tớnh điện dung của bộ tụ ghộp trong hai trường hợp sau:
C1 nt C2 nt C3.
C1 // C2 // C3.
C1 // (C2 nt C3).
C1 nt (C2 // C3).
Bài 2. Cho ba tụ cú điện dung lần lượt là C1 = 2; C2 = 4; C3 = 6 mắc theo sơ đồ C1 // (C2 nt C3).
Tớnh điện dung của bộ tụ.
Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế U = 4 V. Tớnh hiệu điện thế hai đầu mỗi tụ, điện tớch mỗi tụ và điện tớch của bộ tụ.
Dạng 3: Năng lượng điện trường của tụ điện
Phương phỏp
+ Cụng thức năng lượng điện trường của tụ: W = QU = = CU2
+ Đổi đơn vị điện dung (ước của Fara F)
Đơn vị đo (A)
Mili (mA)
Micrụ ()
Nanụ (nA)
Picrụ (pA)
1 F
1 mF = 10-3 F
1 = 10-6 F
1 nF = 10-9 F
1 pF = 10-12 F
1 C
1 mC = 10-3 C
1 = 10-6 C
1 nC = 10-9 C
1 pC = 10-12 C
1 s
1 ms = 10-3 s
1 = 10-6 s
1 J
1 mJ = 10-3 J
1 = 10-6 J
Một số vớ dụ
Bài 1: Hai tụ điện C1 =12, C1 =6mắc nối tiếp. Mắc bộ tụ vào hai cực của nguồn điện cú hiệu điện thế U = 4 V. Tớnh điện tớch và năng lượng điện trường của mỗi tụ.
Hướng dẫn
+ Điện dung của bộ tụ: 
+ Do C1 nối tiếp C2: q1 = q2 = q = CU = 4.4 = 16 
+ Năng lượng của tụ 1: 
+ Năng lượng của tụ 2: 
Bài 2: Tụ điện phẳng khụng khớ, cú điện dung C = 10 nF được tớch điện đến hiệu điện thế U = 100 V rồi ngắt khỏi nguồn điện.
Tớnh năng lượng của tụ điện.
Tớnh cụng cần thiết để tăng khoảng cỏch giữa hai bản tụ lờn gấp đụi.
Khi đưa tấm thủy tinh cú hằng số điện mụi vào trong khoảng giữa hai bản tụ. Tớnh năng lượng của tụ điện lỳc này.
Hướng dẫn
a) Năng lượng của tụ điện ban đầu: 
b) Tớnh cụng để tăng khoảng cỏch bằng độ tăng năng lượng điện trường trong tụ:
+ Khi ngắt tụ ra khỏi nguồn điện, thỡ điện tớch của tụ khụng đổi. Q = Q’
+ Đối với tụ điện phẳng khụng khớ: 
+ Khi tăng khoảng cỏch giữa hai bản: 
+ Ta cú: 
Vậy, phần cụng thực hiện để tăng khoảng cỏch lờn 2 lần: A = W’-W = W = 5.10-5 J
Năng lượng khi cho tấm thủy tinh:
+ Khi ngắt tụ ra khỏi nguồn điện, thỡ điện tớch của tụ khụng đổi. Q = Q’
+ Đối với tụ điện phẳng khụng khớ: 
+ Sau khi cho tấm thủy tinh vào giữa hai bản: 
+ Ta cú: