Chuyên đề tụ điện, năng lượng điện trường bồi dưỡng HSG Vật lí 11 gồm 50 trang, được trích dẫn từ cuốn sách Công Phá Đề Thi Học Sinh Giỏi Vật Lí Lớp 11 của tác giả Nguyễn Phú Đồng.
A – TÓM TẮT KIẾN THỨC B – NHỮNG CHÚ Ý KHI GIẢI BÀI TẬP VỀ KIẾN THỨC VÀ KỸ NĂNG: – Khi khảo sát một tụ điện cần chú ý: + Loại tụ điện: phẳng, cầu, xoay … môi trường giữa hai bản tụ điện. + Đổi đơn vị hợp pháp: đơn vị của Q ra (C); đơn vị của U ra (V); đơn vị của C ra (F). + Các dữ kiện: nối tụ vào nguồn: U = const; ngắt tụ khỏi nguồn: Q = const. + Đặt vào tụ một tấm điện môi ε’ (hình a): hệ gồm 2 tụ ghép nối tiếp. + Nhúng tụ vào chất điện môi ε’ (hình b): hệ gồm 2 tụ ghép song song. – Với các bài toán ghép tụ cần chú ý: + Khi ghép các tụ chưa tích điện trước: Ghép song song: Ub = U1 = U2. Ghép nối tiếp: Ub = U1 + U2. + Khi ghép các tụ đã tích điện trước. Định luật bảo toàn điện tích cho hệ cô lập: ΣQi = const. + Với mạch tụ cầu cân bằng: Mạch tương đương [(C1 nt C2) // (C3 nt C4)]. – Nếu mạch gồm tụ điện, nguồn điện, điện trở mắc với nhau thì: + Nếu trong mạch có dòng điện thì khi giải cần: Tính cường độ dòng điện trong các đoạn mạch. Tính hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch chứa tụ điện (bằng các định luật Ôm). Suy ra điện tích trên từng tụ điện: + Nếu trong mạch không có dòng điện thì khi giải cần: Viết phương trình điện tích cho từng đoạn mạch. Viết phương trình điện tích cho các bản tụ nối với một nút mạch. Suy ra hiệu điện thế, điện tích trên từng tụ điện. – Để xác định lượng điện tích di chuyển qua một đoạn mạch cần: + Xác định tổng điện tích trên các bản tụ nối với một đầu của đoạn mạch lúc đầu: Q. + Xác định tổng điện tích trên các bản tụ nối với đầu nói trên của đoạn mạch lúc sau: Q’. + Suy ra lượng điện tích qua đoạn mạch trên: ΔQ = |Q’ – Q|. – Cần chú ý đến giới hạn hoạt động của tụ điện khi xác định hiệu điện thế cực đại đặt vào tụ hoặc tính điện trường đánh thủng của tụ: Ugh = Eghd. VỀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI: Với dạng bài tập về tính điện dung, điện tích, hiệu điện thế và năng lượng của tụ điện. Phương pháp giải là: – Sử dụng các công thức: + Điện dung của tụ điện: Công thức định nghĩa: C = Q. Q = |Q| = |Q’| là điện tích tụ điện; U là hiệu điện thế giữa hai bản tụ. Công thức tính điện dung của một số loại tụ điện thường gặp. Tụ phẳng: C = εS: S là diện tích phần đối diện giữa hai bản tụ; d là khoảng cách giữa hai bản tụ. Tụ cầu: R1 và R2 là bán kính trong và ngoài của tụ điện cầu. S1 ≈ S2 ≈ S = 2πRl là diện tích của mỗi bản tụ điện, l là chiều cao phần mặt trụ đối diện (n là số lá tụ, S là diện tích phần đối diện giữa các lá tụ, d là khoảng cách giữa hai lá tụ sát nhau). + Các điều kiện của bài toán: nối tụ vào nguồn (U = const); ngắt tụ khỏi nguồn (Q = const). Với dạng bài tập về ghép các tụ điện. Phương pháp giải là: – Kiểm tra điều kiện của bài toán: ghép các tụ điện chưa tích điện trước hay ghép các tụ điện đã tích điện trước; tụ có đặt thêm tấm điện môi hay được nhúng vào chất điện môi; tụ cầu cân bằng hay không? – Sử dụng các công thức: Tụ cầu cân bằng: Vẽ lại mạch điện và khảo sát (đã nói ở mục Về kiến thức và kĩ năng ở trên). C – CÁC BÀI TẬP VẬN DỤNG
[ads]
- Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện. Mỗi vật dẫn đó gọi là một bản của tụ điện.
- Nó dùng để chứa điện tích.
- Tụ điện được dùng phổ biến là tụ điện phẳng. Cấu tạo của tụ điện phẳng gồm hai bản kim loại phẳng đặt song song với nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp điện môi.
- Trong mạch điện, tụ điện được biểu diễn bằng kí hiệu vẽ trên Hình 6.1.
1.2. Cách tích điện cho tụ điện.
- Muốn tích điện cho tụ điện, người ta nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện (Hình 6.2).
- Bản nối cực dương sẽ tích điện dương, bản nối cực âm sẽ tích điện âm.
- Độ lớn điện tích trên mỗi bản của tụ điện khi đã tích điện gọi là điện tích của tụ điện.
2. Điện dung của tụ điện.
2.1. Định nghĩa
Điện tích Q mà một tụ điện nhất định tích được tỉ lệ thuận với hiệu điện thế U đặt giữa hai bản của nó.
Q=CU hay C=QU (6.1)
Đại lượng C được gọi là điện dung của tụ điện. Nó đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định. Thật vậy, dưới một hiệu điện thế U nhất định, tụ có điện dung C sẽ tích được điện tích Q lớn.
Vậy : Điện dung của tụ điện được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó.
2.2. Đơn vị điện dung
Trong công thức (6.1) nếu Q đo bằng đơn vị Cu-lông (C), U đo bằng đơn vị là Vôn (V) thì C đo bằng đơn vị fara (kí hiệu là F).
Fara là điện dung của một tụ điện mà nếu đặt giữa hai bản của nó hiệu điện thế 1 V thì nó tích được điện tích 1 C.
Các tụ điện thường dùng chỉ có điện dung từ 10-12 F đến 10-6 F. Vì vậy ta thường dùng các ước của fara:
1 micrôfara (kí hiệu là μF) = 1.10-6 F.
1 nanôfara (kí hiệu là nF) = 1.10-9 F.
1 picôfara (kí hiệu là pF) = 1.10-12 F.
2.3. Các loại tụ điện
+ Người ta lấy tên của lớp điện môi để đặt tên cho tụ điện : tụ không khí, tụ giấy, tụ mica, tụ sứ, tụ gốm,…