VnHocTap.com giới thiệu đến các em học sinh lớp 11 bài viết Năng lượng của tụ điện, nhằm giúp các em học tốt chương trình Vật lí 11.
Nội dung bài viết Năng lượng của tụ điện:
DẠNG 5: Năng lượng của tụ điện 1. Phương pháp – Năng lượng của tụ điện – Năng lượng của bộ tụ bằng tổng năng lượng của các tụ – Mật độ năng lượng điện trường trong tụ điện phẳng 2. Ví dụ minh họa Ví dụ 1: Tụ điện phẳng gồm hai bản tụ hình vuông cạnh a = 20cm đặt cách nhau 1 cm. Chất điện môi giữa hai bản là thủy tinh có ε = 6. Hiệu điện thế giữa hai bản U = 50V. a) Tính điện dung của tụ điện b) Tính điện tích của tụ điện c) Tính năng lượng của tụ điện, tụ điện có dùng để làm nguồn điện được không? A. 133 nJ. Không thể B. 177,3 nJ. Không thể C. 266 nJ. Không thể D. 332,5 nJ. Không thể Lời giải a) Điện dung của tụ điện Đáp án A b) Điện tích của tụ điện Đáp án B c) Năng lượng của tụ điện Tụ có năng lượng rất nhỏ nên không thể dùng để làm nguồn điện được. Đáp án C STUDY TIP Năng lượng của tụ điện Ví dụ 2: Một tụ điện có điện dung C = 2 pF được tích điện, điện tích của tụ là 10-3 C. Nối tụ điện đó vào bộ ắc quy có suất điện động E = 50V. Bản tích điện dương nối với cực dương. Hỏi khi đó năng lượng của bộ ác qui tăng lên hay giảm đi? Tăng hay giảm bao nhiêu? A. Giảm 0,4975J B. Tăng 0,4975J C. Giảm 0,5J D. Tăng 0,5J.
Lời giải Năng lượng của tụ điện trước khi nối với ắc quy là Sau khi nối với ắc quy, ta có U = E nên năng lượng của tụ điện lúc này là Ta có: ∆ vậy khi đó năng lượng của bộ ắc quy giảm đi. Đáp án A Phân tích – Tính năng lượng tụ trước khi nối – Tính năng lượng của tụ sau khi nối, chú ý sau khi nối tụ với ắc quy thì ta có U = E – So sánh hai kết quả vừa tìm được Ví dụ 3: Một tụ điện phẳng mà điện môi có ε = 2 mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế U = 100 V; khoảng cách giữa 2 bản là d = 0,5 cm; diện tích một bản là 25cm2. a) Tính mật độ năng lượng điện trường trong tụ b) Sau khi ngắt tụ ra khỏi nguồn, điện tích của tụ điện phóng qua lớp điện môi giữa 2 bản tụ đến lúc điện tích của tụ bằng không. Tính nhiệt lượng toả ra ở điện môi. A. 2nJ. B. 4nJ. C. 6nJ. D. 8nJ. Lời giải a) Mật độ năng lượng điện trường trong tụ b) Nhiệt lượng toả ra ở điện môi chính là năng lượng của tụ Đáp án A Ví dụ 4: Có 2 tụ điện, tụ điện 1 có điện dung C 1 F 1 µ tích điện đến hiệu điện thế U1 = 100V; tụ điện 2 có điện dung C 2 F 2 µ tích điện đến hiệu điện thế U2 = 200V. Nối các bản tích điện cùng dấu với nhau. Tính nhiệt lượng toả ra sau khi nối các bản?
Điện tích của tụ C1 và C2 trước khi nối là 4 Khi nối các bản cùng dấu thì sẽ có sự phân bố lại điện tích trên các bản, áp dụng định luật bảo toàn điện tích ta được Hơn nữa, khi nối như vậy thì ta có U’ U’ 1 2 Nhiệt lượng tỏa ra sau khi nối các bản là: Đáp án A Phân tích – Tính năng lượng lúc trước – Tính hiệu điện thế giữa hai đầu của các bản tụ lúc sau theo Dạng 3 đã trình bày ở phần trên. – Tính năng lượng lúc sau – Độ chênh lệch giữa năng lượng lúc trước và sau khi nối là nhiệt lượng tỏa ra Ví dụ 5: Một bộ tụ gồm 5 tụ điện giống hệt nhau nối tiếp mỗi tụ có C 10 F µ được nối vào hiệu điện thế 100 V a) Hỏi năng lượng của bộ thay đổi ra sao nếu 1 tụ bị đánh thủng A. Tăng thêm 2,5.10-3 J B. Giảm đi 2,5.10-3 J C. Tăng thêm 5.10-3 J D. Giảm đi 5.10-3 J b) Khi tụ trên bị đánh thủng thì năng lượng của bộ tụ bị tiêu hao do phóng điện. Tìm năng lượng tiêu hao đó. A. 5mJ. B. 10mJ. C. 0mJ. D. 15mJ. Lời giải a) Vì 5 tụ giống nhau mắc nối tiếp, nên ban đầu ta có b Lúc sau mất đi một tụ, ta có Độ chênh lệch năng lượng lúc trước và sau là Vậy năng lượng của bộ tụ tăng thêm 2,5.10-3 J khi 1 tụ bị đánh thủng Đáp án A b) Ta làm cho trường hợp tổng quát gồm n tụ và có 1 tụ bị đánh thủng + Trước khi tụ điện bị đánh thủng, điện tích của bộ tụ điện là: 1CU + Sau khi tụ điện bị đánh thủng thì 2CU + Điện tích của bộ tụ điện tăng lên 1 lượng + Năng lượng của tụ điện tăng lên do nguồn điện đã thực hiện công để đưa thêm điện tích tới tụ điện + Gọi năng lượng tiêu hao do sự đánh thủng là W’, theo định luật bảo toàn năng lượng, ta được + Áp dụng vào bài toán trên và thay n = 5 ta được W’ = 5.10-3 J. Đáp án B.
Ví dụ 6: Một tụ điện phẳng điện dung C 0,12 F µ có lớp điện môi dày 0,2 mm có hằng số điện môi ε = 5. Tụ được đặt dưới một hiệu điện thế U = 100 V. a) Tính diện tích các bản của tụ điện, điện tích và năng lượng của tụ. b) Sau khi được tích điện, ngắt tụ khỏi nguồn rồi mắc vào hai bản của tụ điện C 0,15 F 1 µ chưa được tích điện. Năng lượng của bộ tụ là? Lời giải a) Diện tích các bản của tụ điện Điện tích của tụ Q CU 12 C Năng lượng của tụ Đáp án C. b) Khi ngắt tụ khỏi nguồn thì điện tích Q = 12 μC không đổi nên tụ mới được mắc song song với tụ ban đầu. Áp dụng định luật bảo toàn điện tích ta được Q1 + Q2 = Q = 12 μC Vì 2 tụ được mắc song song nên Ví dụ 7: Một tụ điện 6 μF được tích điện dưới một hiệu điện thế 12V. a) Tính điện tích của mỗi bản tụ. A. Điện tích bản dương là 60 μC, bản âm là -60 μC B. Điện tích bản dương là 72 μC, bản âm là -72 μC. C. Điện tích bản dương là 48 μC, bản âm là -48 μC. D. Điện tích bản dương là 56 μC, bản âm là -56 μC. b) Hỏi tụ điện tích lũy một năng lượng cực đại là bao nhiêu? c) Tính công trung bình mà nguồn điện thực hiện để đưa 1 e từ bản mang điện tích dương đến bản mang điện tích âm? c) Công trung bình mà nguồn điện thực hiện để đưa 1 e từ bản mang điện tích dương đến bản mang điện tích âm xác định bởi.