Lý thuyết và bài tập về tụ điện – Vật lý 11

Tụ điện là gì?

  • Tụ điện là một linh kiện điện tử được tạo thành từ hai vật dẫn được đặt gần nhau và cách nhau bởi một lớp cách điện. Mỗi vật dẫn trong tụ điện được gọi là một bản.
  • Tụ điện thường được sử dụng trong các mạch điện của các thiết bị điện tử như máy tính, tivi, tủ lạnh, quạt, máy thu thanh…
  • Có 2 cách phân loại tụ điện:
    • Dựa vào hình dạng: Tụ điện phẳng, tụ điện cầu, tụ điện trụ.
    • Dựa vào môi trường điện môi bên trong: Tụ điện giấy, tụ điện mica, tụ điện không khí…
  • Ký hiệu của tụ điện
  • Tụ điện có vai trò nạp điện (tích điện) và phóng điện. Quá trình này diễn ra như sau:
    • Quá trình nạp điện (tích điện): Nối hai bản tụ điện vào hai cực của nguồn điện một chiều.
    • Quá trình phóng điện: Nối hai bản tụ điện đã được nạp điện với một điện trở. Dòng điện khi chạy qua điện trở và điện tích trên tụ điện giảm nhanh chóng, đây chính là quá trình phóng điện.

Điện dung của tụ điện

2.1 Điện dung

  • Điện dung của tụ điện là một đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện khi ta đặt một hiệu điện thế U vào hai bản tụ điện. Điện dung được tính bằng tỉ số giữa điện tích Q của tụ điện và hiệu điện thế U đặt vào hai bản tụ điện.
    EQ1
  • Kí hiệu điện dung là C và đơn vị là fara (F)
  • Trong thực tế, các tụ điện thường có điện dung rất nhỏ từ 10^-12 F đến 10^-6 F. Vì vậy chúng ta thường sử dụng các ước lượng của fara:
    • 1 microfara = 10^-6 F
    • 1 nanofara = 10^-9 F
    • 1 picofara = 10^-12 F
  • Điện dung của một tụ điện chỉ phụ thuộc vào cấu tạo của tụ điện, không phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện. Trên mỗi tụ điện đều có hai thông số là điện dung và hiệu điện thế tối đa được sử dụng của tụ điện. Ngoài ra, tùy theo từng loại tụ điện, còn có các thông số khác như tần số dòng điện, khoảng nhiệt độ tụ điện hoạt động bình thường.

2.2 Điện dung của bộ tụ điện

a. Ghép nối tiếp

Tụ điện ghép nối tiếp là cách nối bản thứ 2 của tụ C1 với bản thứ nhất của tụ C2. Nếu có nhiều tụ điện hơn, thì lần lượt bản thứ 2 của tụ điện phía trước sẽ ghép với bản thứ nhất của tụ điện phía sau. Bản thứ nhất của tụ điện C1 sẽ nối với một cực và bản thứ 2 của tụ điện cuối cùng trong mạch điện sẽ ghép với cực kia của nguồn điện.

  • Nếu gọi U là hiệu điện thế của tụ điện ghép nối tiếp thì ta có: U= U1 + U2 + … + Un

  • Trước khi ghép, tụ điện chưa có điện tích nên: Q = Q1 = Q2 = Qn

  • Điện dung tương đương C của tụ điện được tính bằng:
    EQ2

  • Ví dụ: Có 3 tụ điện được ghép nối tiếp với điện dung lần lượt là 300μF, 200μF và 600μF. Khi đó, điện dung tương đương của bộ tụ được tính như sau:
    C = 100μF

b. Ghép song song

  • Tụ điện ghép song song là tụ điện được ghép như hình bên dưới.
  • Tụ điện ghép song song sẽ có cùng hiệu điện thế giữa hai cực, khi đó U = U1 = U2 = Un
  • Điện dung của tụ điện ghép song song: Q = Q1 + Q2 + … + Qn
  • Điện dung tương đương của bộ tụ ghép song song: C = C1 + C2 + …+ Cn
  • Lưu ý: Không đặt vào giữa hai cực của tụ điện hiệu điện thế vượt giới hạn hiệu điện thế của mỗi tụ điện.

Năng lượng của tụ điện

  • Tụ điện là một thiết bị được dùng để tích điện và phóng điện dựa trên năng lượng mà tụ điện tích lũy được. Năng lượng của tụ điện chính là công cần thiết để di chuyển điện tích đến các bản của tụ điện.
  • Năng lượng dự trữ trong tụ điện được tính bằng công thức:

Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

Tụ điện có nhiều ứng dụng trong đời sống, chẳng hạn như sử dụng trong các thiết bị sạc thông minh. Các tụ điện có thể sạc điện hàng triệu lần mà không bị chai hay giảm điện dung hay bị hỏng.

Đặc biệt tụ điện còn có ứng dụng quan trọng trong ngành sản xuất ô tô điện. Hiện nay, các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu để sử dụng tụ điện thay thế hoặc hỗ trợ cho pin và ắc quy dùng trong ô tô điện để nâng cao khả năng vận hành và tiết kiệm chi phí sản xuất.

Tụ điện còn có ứng dụng là một linh kiện điện tử được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật như bếp từ, micro…

Các dạng bài tập về tụ điện

5.1 Dạng bài tính điện dung, năng lượng của tụ điện

a. Phương pháp giải bài: Áp dụng các công thức:
EQ3
Lưu ý: Nếu tụ điện nối vào nguồn thì U = hằng số. Còn nếu ngắt tụ điện khỏi nguồn thì Q = hằng số.

b. Bài tập áp dụng:

Bài 1: Điện dung của một tụ điện là 2μF. Nếu ta đặt một hiệu điện thế 4V vào hai bản tụ, tụ điện có năng lượng bao nhiêu?
Ta có: Q = C.U = 2.10^-6 C

Bài 2: Tính năng lượng của tụ điện có điện dung là 20μF và hiệu điện thế là 5V
Năng lượng mà tụ điện tích được là:

Bài 3: Điện dung của một tụ điện là 5.10^-6. Điện tích của tụ điện là 86. Tính hiệu điện thế của hai bản tụ điện

5.2 Dạng bài tụ điện phẳng

Bài 1: Hai tụ điện phẳng hình tròn có bán kính R = 60cm, khoảng cách giữa 2 bản là d = 2mm. Giữa 2 bản là không khí, hãy tính điện dung của tụ điện.
Điện dung của tụ điện là:

Bài 2: Một tụ điện phẳng được mắc vào hai cực của một nguồn điện có hiệu điện thế 50V. Người ta đã ngắt tụ điện đó ra khỏi nguồn điện, sau đó kéo khoảng cách giữa 2 tụ điện tăng lên 2 lần. Hãy tìm hiệu điện thế của tụ khi đó.

Bài 3: Đặt trong không khí một tụ điện phẳng, bản tròn có bán kính 2cm, khoảng cách giữa hai bản của tụ điện là 2mm. Điện trường đánh thủng với không khí là 3.10^6 V/m. Hỏi có thể đặt hiệu điện thế lớn nhất là bao nhiêu vào tụ điện đó?
Hiệu điện thế lớn nhất có thể đặt vào 2 bản của tụ điện tròn đó là: U = Emaxd = 3.10^6.2.10^-3 = 6000V

5.3 Dạng bài về tụ điện ghép nối tiếp, tụ điện ghép song song

Bài 1: Có ba tụ điện C1 = 3nF, C2 = 2nF, C3 = 20nF được mắc như hình minh họa. Ta nối 3 tụ điện với hai cực một nguồn điện có hiệu điện thế là 30V. Hãy tính hiệu điện thế của mỗi tụ điện?

Theo như cách mắc 3 tụ điện trong hình minh họa, ta thấy tụ C1 được mắc song song với tụ C2, rồi mắc nối tiếp với tụ C3
C = 100μF

Bài 2: Hai tụ điện có điện dung C1 = 2μF, C2 = 3μF lần lượt được tích điện đến hiệu điện thế U1 = 200V, U2 = 400V. Sau đó nối hai cặp bản tích điện cùng dấu của hai tụ điện với nhau. Hiệu điện thế của bộ tụ có giá trị nào sau đây?
Khi nối hai cặp bản tích điện cùng dấu của hai tụ điện với nhau => tụ điện được nối song song với nhau.
Cb = C1 + C2 = 2 + 3 = 5μF
Điện tích của bộ tụ khi nối hai bản tích điện cùng dấu với nhau là:
Qb = Q1 + Q2 = C1U1 + C2U2 = 2.200 + 3.400 =1600μC

Bài 3: Có 3 tụ điện C1 = 2μF, C2 = C3 = 1μF mắc như hình vẽ. Nối hai đầu của bộ tụ vào hai cực của nguồn điện có hiệu điện thế U = 4V. Tính điện tích của các tụ điện.
Theo hình vẽ ta thấy tụ C1 nt (C2//C3)
Ta có: C23 = C2 + C3 = 2μF
Điện dung của tụ điện là:
Điện tích của bộ tụ điện:
Q = Q1 = Q23 = Cb.U = 4.10^-6 C

Trên đây là toàn bộ những kiến thức trọng tâm về tụ điện hòa bao gồm lý thuyết, bài tập và phương pháp giải bài tập về tụ điện. Đây là phần học quan trọng của chương trình vật lý 11 nên các bạn cần hiểu bản chất và nắm rõ kiến thức căn bản. Để ôn thi hiệu quả cũng như mong muốn, các bạn học sinh có thể truy cập ngay vào trang web Vuihoc.vn để đăng ký khoá học với các thầy cô giáo của VUIHOC ngay bây giờ nhé!

FEATURED TOPIC