§6. TỤ ĐIỆN
A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
• Tụ điện là dụng cụ thường dùng để tích và phóng điện trong mạch điện. Cấu tạo của tụ điện phẳng gồm hai bản kim loại phẳng đặt song song với nhau và được ngăn cách bởi lớp điện môi.
• Tụ điện được kí hiệu: .png)
• Điện tích của tụ điện
- Nối hai bản của tụ điện với nguồn điện, tụ điện được tích điện
- Khi tụ đã được tích điện, điện tích của hai bản tụ là bằng nhau về độ lớn, nhưng trái dấu nhau. Độ lớn điện tích trên bản dương là điện tích của tụ.
- Khi tụ điện tích điện thì điện trường trong tụ điện sẽ dự trữ một năng lượng. Đó là năng lượng điện trường.
• Năng lượng của tụ điện đã tích điện
W = $\large \frac{1}{2}$QU = $\large \frac{1}{2}$$\large \frac{Q^{2}}{C}$ = $\large \frac{1}{2}$$CU^{2}$
• Năng lượng điện trường đều E trong tụ điện phẳng
W = $\large \frac{\varepsilon E^{2}}{9.10^{9}.8\pi }$V
với V là thể tích không gian có điện trường
• Điện dụng của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện.
C = $\large \frac{Q}{U}$
- Đơn vị điện dung là Fara (F) ngoài ra còn có các đơn vị sau
+ $\mu$F ( microfara), 1$\mu$F = $10^{-6}$ F
+ nF (nano fara), 1nF = $10^{-9}$F
+ pF (picô fara), 1pF = $10^{-12}$F
- Điện dung của tụ điện phẳng
C = $\large \frac{\varepsilon S}{9.10^{-9}4\pi d}$
Với S là diện tích bề mặt một bản
d là khoảng cách giữa hai bản
$\varepsilon$ là hằng số điện môi
B. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Tụ điện là gì? Tụ điện phẳng có cấu tạo như thế nào?
Giải
Tụ điện là dụng cụ dùng để tích và phóng điện trong mạch điện. Cấu tạo của một tụ điện phẳng gồm hai bản kim loại phẳng đặt song song và ngăn cách bởi một lớp điện môi.
2. Làm thế nào để tích điện cho tụ điện? Người ta gọi điện tích của tụ điện là điện tích của bản nào?
Giải
Để tích điện cho tụ điện người ta mắc hai bản của tụ với một nguồn điện. Khi tụ điện đã tích điện, điện tích của tụ điện chính là điện tích của bản dương.
3. Điện dung của tụ điện là gì?
Giải
Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện và được tính bằng thương số giữa điện tích của tụ và hiệu điện thế giữa hai bản tụ của tụ điện đó: C = $\large \frac{Q}{U}$
4. Năng lượng của một tụ điện tích điện là dạng năng lượng gì?
Giải
Năng lượng của một tụ điện tích điện là dạng năng lượng điện trường.
5. Gọi Q, C và U là điện tích, điện dung và hiệu điện thế giữa hai bản của một tụ điện. Phát biểu nào dưới đây là đúng?
A. C tỉ lệ thuận với Q.
B. C tỉ lệ nghịch với U.
C. C phụ thuộc vào Q và U.
D. C không phụ thuộc vào Q và U
Giải
Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ. Điện dụng của tụ là hằng số
⇒ Chọn câu D
6. Trong trường hợp nào dưới đây ta không có một tụ điện?
Giữa hai bản kim loại và một lớp
A. mica;
B. nhựa polietilen;
C. giấy tẩm dung dịch muối ăn;
D. giấy tẩm parafin.
Giải
Dựa vào cấu tạo của tụ điện, khoảng không giữa hai bản tụ phải là lớp điện môi, nghĩa là chất không dẫn điện hoặc chất dẫn điện kém. Dung dịch muối ăn dẫn điện tốt
⇒ Chọn câu C
7. Trên vỏ một tụ điện có ghi 20 $\mu$F - 200 V. Nối hai bản tụ điện với một hiệu điện thế 120 V.
a) Tính điện tích của tụ điện.
b) Tính điện tích tối đa mà tụ điện tích được.
Giải
a) Ta có: C = 20 $\mu$F = 20.$10^{-6}$F = 2.$10^{-5}$F
Điện tích của tụ điện: Q = C.U = 2.$10^{-5}$.120 = 24.$10^{-4}$ C
b) Điện tích tối đa mà tụ điện có thể tích được
$Q_{max}$ = C.$U_{max}$ = 2.$10^{-5}$.200 = 4.$10^{-3}$C
8. Tích điện cho một tụ điện có điện dung 20 $\mu$F dưới hiệu điện thế 60V. Sau đó cắt tụ điện ra khỏi nguồn.
a) Tính điện tích q của tụ điện.
b) Tính công mà điện trường trong tụ điện sinh ra khi phóng điện tích $\Delta$q = 0,001q từ bản dương sang bản âm.
c) Xét lúc điện tích của tụ điện chỉ còn bằng $\large \frac{q}{2}$. Tính công mà điện trường trong tụ điện sinh ra khi phóng điện tích $\Delta$q như trên bản dương sang bản âm lúc đó.
Giải
a) C = 20$\mu$F = 20.$10^{-6}$ = 2.$10^{-5}$F
Điện tích của tụ điện: q = CU = 2.$10^{-5}$.60V = 12.$10^{-4}$C
b) Lượng điện tích mà tụ điện đã phóng từ bản dương sang bản âm
q' = $\Delta$q = q.$10^{-3}$ = 12.$10^{-7}$C
Công do điện trường trong tụ điện sinh ra
A = U.$\Delta$q = 60.12.$10^{-7}$ = 72.$10^{-6}$ J
c) q” = $\large \frac{q}{2}$ ⇒ U” = $\large \frac{U}{2}$ = $\large \frac{60}{2}$ = 30V
⇒ A' = U”.$\Delta$q = 30.12.$10^{-7}$ = 36.$10^{-6}$J