Tính điện dung, điện tích, hiệu điện thế và năng lượng của tụ điện

VnHocTap.com giới thiệu đến các em học sinh lớp 11 bài viết Tính điện dung, điện tích, hiệu điện thế và năng lượng của tụ điện, nhằm giúp các em học tốt chương trình Vật lí 11.

Nội dung bài viết Tính điện dung, điện tích, hiệu điện thế và năng lượng của tụ điện:
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 ε π. Trong đó: S là phần diện tích đối diện giữa 2 bản (m2) ε 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. ε π. Mật độ năng lượng điện trường: W E2 w V k8 ε π (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 µF – 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: U E d Q CU gh gh gh gh. 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 µC 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 Q CU 100.10 10 10 C max max 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 = ππ π 22 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 – 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. 79 b) Khi ngắt tụ khỏi nguồn: Khi ngắt tụ khỏi nguồn thì điện tích không đổi nên: Q1 = Q = 1,2.10–9 C – Điện dung của tụ điện: C1 = 12 12 9 S C 2.10 10 F 1 pF 9.10 4 2d 2 2. Hiệu điện thế của tụ điện: U1 = 9 1 12 1 Q 1,2.10 1200 V C 10. Vậy: Khi ngắt tụ khỏi nguồn và đưa hai bản tụ ra xa gấp đôi thì điện tích của tụ là Q1 = 1,2.10–9 C điện dung của tụ là C1 = 1pF và hiệu điện thế của tụ là U1 = 1200 V. c) Khi vẫn nối tụ với nguồn điện: Khi vẫn nối tụ với nguồn thì hiệu điện thế giữa hai bản tụ không đổi: U2 = U = 600 V – Điện dung của tụ: C2 = 12 9 S C 10 F 1 pF 9.10 4 2d 2 ε π.
Điện tích của tụ: Q2 = C2U2 = 10–12.600 = 0,6.10–9 C. Vậy: Khi vẫn nối tụ với nguồn điện và đưa hai bản ra xa gấp đôi thì điện tích của tụ là Q2 = 0,6.10–9 C điện dung của tụ là C2 = 1pF và hiệu điện thế của tụ là U2 = 600 V. Ví dụ 4: Một tụ điện có điện dung C1 = 0,2 µF khoảng cách giữa hai bản là d1 = 5 cm được nạp điện đến hiệu điện thế U = 100 V. a) Tính năng lượng của tụ điện. b) Ngắt tụ ra khỏi nguồn điện. Tính độ biến thiên năng lượng của tụ khi dịch 2 bản lại gần còn cách nhau d2 = 1 cm. Hướng dẫn giải a) Năng lượng của tụ điện: 2 6 2 W C U1 1 0,2.10 100 3 10 J 2 2 b) Điện dung của tụ điện: 2 1 9 1 2 S C d C 9.10 4 d C d ε. Điện dung của tụ điện lúc sau: 1 6 2 1 2 d C C 0,2.5 1 F 10 F d. Điện tích của tụ lúc đầu: 6 5 Q C U 0,2.10 100 2.10 C 1 11 + Vì ngắt tụ ra khỏi nguồn nên điện tích không đổi, do đó: Q2 = Q1 + Năng lượng lúc sau: 2 5 2 2 4 6 2 Q 2.10 W 2.10 J 2C 2.10. Độ biến thiên năng lượng: 4 W W W 8.10 J 2 1 ∆ 0 ⇒ năng lượng giảm.
Ví dụ 5: Một tụ điện phẳng có 2 bản tụ cách nhau d = 2 mm. Tụ điện tích điện dưới hiếu điện thế U = 100 V. Gọi σ là mật độ điện tích trên bản tụ và được đo 80 bằng thương số Q S (Q là điện tích, S là diện tích). Tính mật độ điện tích σ trên mỗi bản tụ trong hai trường hợp: a) Điện môi là không khí b) Điện môi dầu hỏa có ε = 2 Hướng dẫn giải + Ta có: 9 S C 9.10 4 d Q CU. Mật độ điện tích: 9 Q U S 9.10 4 d ε σ π a) Không khí có ε = 1 nên: 7 2 9 U 4,4.10 C m 9.10 4 d π b) Dầu có ε = 2 nên: 7 2 9 U 8,8.10 C m 9.10 4 d ε π. Ví dụ 6: Tụ điện phẳng gồm hai bản tụ hình vuông cạnh a = 20cm, đặt cách nhau d = 1cm, 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 làm nguồn điện được không? Hướng dẫn giải a) Điện dung của tụ điện d a d k S k C 2 4 1 4 1 ε π ε π b) Điện tích của tụ điện Q C.U 10,62.10 C 10,6nC 9 c) Năng lượng của tụ điện W QU 265,5.10 J 266nJ 2 1 9.
Khi tụ điện phóng điện, tụ điện sẽ tạo thành dòng điện. Tuy nhiên thời gian phóng điện của tụ rất ngắn, nên tụ không thể dùng làm nguồn điện được. Dòng điện do nguồn điện sinh ra phải tồn tại ổn định trong một thời gian khá dài. Ví dụ 7: Tụ phẳng không khí được tích điện bằng nguồn điện có hiệu điện thế không đổi U. Hỏi năng lượng của bột tụ thay đổi thế nào, nếu tăng khoảng cách d giữa hai bản tụ lên gấp đôi trong hai trường hợp sau: a) Vẫn nối tụ với nguồn. b) Ngắt ra khỏi nguồn trước khi tăng. Hướng dẫn giải 81 + Điện dung của tụ điện phẳng không khí: 9 S C 9.10 4 d π. Khi tăng d lên gấp đôi thì C giảm đi một nửa ⇒ C C 2 a) Khi tụ vẫn nối vào nguồn thì U không đổi và năng lượng của tụ là: 2 CU W 2. Vì C C 2 nên W W 2 + Khi ngắt tụ ra khỏi nguồn thì Q không đổi và năng lượng của tụ là: 2 Q W 2C. Vì C C 2 nên W 2W. Ví dụ 8: Tụ phẳng có S = 200cm2 điện môi là bản thủy tinh dày d = 1mm, ε = 5, tích điện với U = 300V. Rút bản thủy tinh khỏi tụ. Tính độ biến thiên năng lượng của tụ và công cần thực hiện. Công này dùng để làm gì? Xét khi rút thủy tinh. a) Tụ vẫn nối với nguôn. b) Ngắt tụ khỏi nguồn.
Hướng dẫn giải Gọi điện dung của tụ điện khi có tấm thủy tinh là C và khi không có tấm thủy tinh là C0 thì: 0 0 S C C d εε a) Khi tụ vẫn nối với nguồn – Năng lượng của tụ điện khi mắc vào nguồn là: 2 2 0 1 1 W CU C U 2 2. Năng lượng của tụ điện sau khi bản thủy tinh đã được rút ra hết là: 2 0 1 W CU 2. Độ biến thiên năng lượng của tụ: WW W C 2 2d −ε ε ∆. Khi rút tấm thủy tinh ra khỏi tụ điện, ta cần thực hiện một công. Khi tụ điện nối với nguồn, công A dùng để rút tấm thủy tinh có giá trị bằng độ biến thiên năng lượng của hệ tụ điện – nguồn. Một phần công này làm thay đổi năng lượng của tụ điện một lượng: 2 0 1 W (1)C U 2 ∆ ε 82. Khi tấm thủy tinh được rút ra khỏi tụ điện, điện dung của tụ điện giảm đi, do đó với cùng hiệu điện thế U, điện tích của tụ điện giảm đi. Một phần điện tích ∆Q đã dịch chuyển ngược chiều nguồn điện. Công dịch chuyển các điện tích này bằng: 2 2 W Q.U C.U U C.
Vậy: Độ biến thiên năng lượng và công cần thực hiện trong trường hợp này là ∆W = –318.10–7 J và A = 318.10–7 J. b) Khi ngắt tụ khỏi nguồn – Năng lượng của tụ điện được tích điện khi có tấm thủy tinh là: 2 2 2 0 1 1Q 1 Q W CU 2 2C 2 C Sau khi ngắt tụ điện khỏi nguồn, điện tích trên các bản tụ giữ nguyên không đổi. Năng lượng của tụ điện sau khi bản thủy tinh đã được rút ra hết: 2 Q W 2 C. Độ biến thiên năng lượng của tụ điện: C U SU W 2d ε 300 W 1590 10 J. Khi tụ điện được ngắt khỏi nguồn, công để rút tấm thủy tinh chỉ bằng độ biến thiên năng lượng của tụ điện: 7 A W 1590.10 J. Vậy: Độ biến thiên năng lượng và công cần thực hiện trong trường hợp này là ∆W = A’ = 1590.10–7 J. Ví dụ 9: Tụ phẳng không khí d = 1,5cm nối với nguồn U = 39kV (không đổi). a) Tụ có hư không nếu biết điện trường giới hạn của không khí là 30kV/cm? b) Sau đó đặt tấm thủy tinh có ε = 7, l = 0,3cm và điện trường giới hạn 100kV/cm vào khoảng giữa, song song 2 bản. Tụ có hư không?
Hướng dẫn giải – Điện trường giữa hai bản tụ là: U 39 E 26 kV/cm d 1,5 a) Trường hợp điện trường giới hạn bằng 30 kV/cm: Vì E < Egh nên tụ không bị hư. b) Trường hợp điện trường giới hạn bằng 100 kV/cm: Khi có tấm thủy tinh, điện dung của tụ tăng lên, điện tích ở các bản tụ tăng lên làm cho điện trường trong khoảng không khí cũng tăng lên. 83 Gọi E1 là cường độ điện trường trong phần không khí; E2 là cường độ điện trường trong phần thủy tinh. Ta có: U = E1(d – l) + E2l và 1 2 E E ε ⇒ 1 U 39 E 31,4 kV/cm l 0,3 d l 1,2 7 ε Vì E1 > Egh = 30 kV/cm nên không khí bị đâm xuyên và trở nên dẫn điện, khi đó hiệu điện thế U của nguồn đặt trực tiếp vào tấm thủy tinh, điện trường trong tấm thủy tinh là: 2 U 39 E 130 kV/cm l 0,3 Egh 100 kV/cm nên thủy tinh bị đâm xuyên, tụ điện bị hư. C. BÀI TẬP VẬN DỤNG Bài 1. Một tụ điện phẳng có hai bản kim loại, điện tích mỗi bản 2 S = 100cm cách nhau d = 2mm, điện môi là mica có hằng số điện môi ε = 6 Tính điện tích của tụ khi được tích điện ở hiệu điện thế U = 220V Bài 2. Một tụ điện có ghi 1000 µF – 12V. 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 = 10V.
Tính điện tích của tụ khi đó. c) Muốn tích cho tụ điện một điện tích là 5 mC thì cần phải đặt giữa hai bản tụ một hiệu điện thế là bao nhiêu ? Bài 3. Hai bản của tụ điện phẳng có dạng hình tròn bán kính R = 30 cm, khoảng cách giữa hai bản d = 5 mm, khoảng giữa hai bản là không khí. a) Tính điện dung của tụ điện. b) Biết rằng không khí chỉ còn cách điện khi cường độ điện trường tối đa là 3.105 V/m. Hỏi: Hiệu điện thế giới hạn của tụ điện ? Có thể tích cho tụ một điện tích lớn nhất là bao nhiêu để tụ không bị đánh thủng ? Bài 4. Một tụ điện phẳng (điện môi là không khí) có điện dụng C = 0,2 µF được mắc vào hai cực của nguồn điện có hiệu điện thế U1 = 200 V. a) Tính điện tích của tụ. b) Ngắt tụ ra khỏi nguồn rồi nhúng cả tụ điện vào trong dầu hỏa có hằng số điện môi ε = 2. Tính hiệu điện thế U2 bây giờ. Bài 5. Một tụ điện phẳng được mắc vào hai cực của một nguồn điện có hiệu điện thế 50 V. Ngắt tụ điện ra khỏi nguồn rồi kéo cho khoảng cách giữa hai bản tụ tăng lên gấp đôi so với lúc đầu. Tính hiệu điện thế của tụ điện khi đó.