Giải Vật lí 11 Bài 21 (Kết nối tri thức): Tụ điện

Giải bài tập Vật lí 11 Bài 21: Tụ điện

Giải Vật lí 11 trang 83

Khởi động trang 83 Vật Lí 11: Nếu một chiếc quạt điện gặp trục trặc như: cánh quạt quay chậm hoặc không quay dù vẫn cắm điện; động cơ nóng, rung và có âm thanh bất thường, thì nguyên nhân mà chúng ta cần xem xét là hỏng tụ điện. Vậy tụ điện có cấu tạo như thế nào?

Lời giải:

Tụ điện gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bởi môi trường cách điện (điện môi). Mỗi vật dẫn được gọi là một bản tụ điện.

II. Điện dung của tụ điện

Giải Vật lí 11 trang 85

Câu hỏi 1 trang 85 Vật Lí 11: Cho một tụ điện trên vỏ có ghi là 2 µF – 200 V.

a) Đặt vào hai bản tụ điện một hiệu điện thế 36 V. Hãy tính điện tích mà tụ điện tích được.

b) Hãy tính điện tích mà tụ tích được ở hiệu điện thế tối đa cho phép.

Lời giải:

a) Điện tích mà tụ điện tích được dưới hiệu điện thế 36V:

$Q\text{'}=CU\text{'}={2.10}^{-6}.36={\mathrm{7,2.10}}^{-5}\left(C\right)$

b) Điện tích mà tụ tích được ở hiệu điện thế tối đa cho phép:

$Q=CU={2.10}^{-6}.200={4.10}^{-4}\left(C\right)$

Câu hỏi 2 trang 85 Vật Lí 11: Có hai chiếc tụ điện, trên vỏ tụ điện (A) có ghi 2 µF – 350 V, tụ điện (B) có ghi 2,3 µF – 300 V.

a) Trong hai tụ điện trên khi tích điện ở cùng một hiệu điện thế, tụ điện nào có khả năng tích điện tốt hơn?

b) Khi tích điện lên mức tối đa cho phép thì tụ điện nào sẽ có điện tích lớn hơn?

Lời giải:

a) Điện tích mà tụ tích được tỉ lệ thuận với điện dung của tụ. Khi hai tụ trên vào cùng một hiệu điện thế, thì tụ nào có điện dung lớn hơn sẽ tích điện tốt hơn. Do đó tụ B có khả năng tích điện tốt hơn.

b) Điện tích mà hai tụ tích đến mức tối đa.

$Q_A=C_A{U}_A={2.10}^{-6}.350={7.10}^{-4}\left(C\right)$

$Q_B=C_B{U}_B={\mathrm{2,3.10}}^{-6}.300={\mathrm{6,9.10}}^{-4}\left(C\right)$

Tụ A có điện tích lớn hơn.

III. Năng lượng của tụ điện

Giải Vật lí 11 trang 88

Câu hỏi trang 88 Vật Lí 11: Có hai chiếc tụ điện, tụ điện D có thông số cơ bản được ghi là 2 mF – 450 V; tụ điện E có thông số cơ bản được ghi là 2,5 – 350 V. Khi các tụ điện trên được tích điện tới mức tối đa cho phép, hãy tính năng lượng của mỗi tụ điện.

Lời giải:

Năng lượng của tụ D: $W=\frac{C{U}^2}{2}=\frac{{2.10}^{-3}{.450}^2}{2}=\mathrm{202,5}J$

Năng lượng của tụ E: $W=\frac{C{U}^2}{2}=\frac{{\mathrm{2,5.10}}^{-6}{.350}^2}{2}=\mathrm{0,153}J$

IV. Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

Hoạt động trang 88 Vật Lí 11: Các em hãy sử dụng sách, báo, Internet hoặc các mạng thông tin khác để tìm hiểu, sưu tập một số tụ điện thông dụng. Tiếp theo, các em lựa chọn và sử dụng các thông tin này để xây dựng một báo cáo về Một số ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống. Dưới đây là một mẫu báo cáo để chúng ta tham khảo.

Lời giải:

Học sinh tham khảo mẫu báo cáo sau:

BÁO CÁO

Một số ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

Ngày …. tháng …. năm

Tên học sinh:

Lớp:

I. Thống kê phân loại tụ điện đã sưu tập được

II. Kết luận về ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

– Đây cũng là một trong những bộ phận quan trọng trong hệ thống âm thanh của những dòng xe hơi hạng sang giúp tích tụ năng lượng để duy trì bộ khuếch đại hoạt động ổn định với chất lượng âm thanh tuyệt vời.

– Bên cạnh đó nó cũng được sử dụng phổ biến trong việc xây dựng bộ nhớ kỹ thuật số cho máy tính nhằm đưa đến những trải nghiệm sử dụng tuyệt vời cho người dùng.

– Tụ điện cũng được sử dụng trong lĩnh vực chế tạo các loại máy móc như máy phát điện, thiết bị vi tính, máy móc dùng trong gia đình,…

– Ngoài ra ứng dụng lớn nhất của tụ điện trong thực tế là việc được sử dụng như một nguồn cung cấp đồng thời cũng tích trữ năng lượng phục vụ cho nhu cầu sử dụng sau đó.

Giải Vật lí 11 trang 89

Em có thể trang 89 Vật Lí 11: Đọc hiểu các thông số kĩ thuật cơ bản của tụ điện và xác định được điện dung của tụ điện, hiệu điện thế tối đa cho phép đặt vào tụ điện.

Lời giải:

Trên tụ điện có hai thông số quan trọng nhất đó chính là giá trị điện dung của tụ điện (Fara) và hiệu điện thế (điện áp) tối đa cho phép đặt vào tụ điện (Vôn).

Ví dụ:

Em có thể trang 89 Vật Lí 11: Hiểu và thực hành được các cách ghép nối tiếp và ghép song song của các tụ điện trong mạch điện.

Lời giải:

- Cách ghép tụ nối tiếp

- Cách ghép tụ song song

Em có thể trang 89 Vật Lí 11: Vận dụng được kiến thức về năng lượng của tụ điện để giải thích được nguyên lí hoạt động phóng điện của máy hàn điện, tia sét giữa các đám mây tích điện trái dấu.

Lời giải:

Do tụ điện có khả năng tích trữ năng lượng điện khi có nguồn điện để tích điện, nguồn điện đã thực hiện công A để dịch chuyển các electron từ bản cực nối với cực dương sang bản cực nối với cực âm của tụ điện. Công A này đã chuyển thành thế năng điện của các electron trên bàn nhiễm điện âm hay nói cách khác, tụ điện đã tích một năng lượng W = A.

Em có thể trang 89 Vật Lí 11: Tìm hiểu về các ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống trên cơ sở thu thập và lựa chọn thông tin, xây dựng báo cáo.

Lời giải:

Lý thuyết Tụ điện

I. Tụ điện

- Tụ điện được dùng trong nhiều thiết bị điện với hình dạng khác nhau

- Tụ điện là một loại linh kiện điện tử gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bởi môi trường cách điện (điện môi).

- Mỗi vật dẫn được gọi là một bản tụ điện.

- Mật độ điện tích tự do trong điện môi rất nhỏ, điện môi không dẫn điện.

- Điện trường ngoài đặt vào điện môi lớn hơn một giới hạn nhất định, điện môi trở thành dẫn điện (điện môi bị đánh thủng).

- Tụ điện được kí hiệu như Hình 21.2.

- Tụ điện có nhiệm vụ tích điện và phóng điện.

- Quá trình tích điện và phóng điện như sau: nối hai bản cực của tụ với hai cực của nguồn điện một chiều để tích điện, sau đó bỏ nguồn và nối hai bản tụ với một điện trở hoặc bóng đèn để phóng điện.

- Lúc này dòng điện chạy qua điện trở và điện tích trên tụ điện giảm nhanh. Ta gọi đó là sự phóng điện của tụ điện.

II. Điện dung của tụ điện

1. Điện dung

- Tích điện cho các tụ điện khác nhau với hiệu điện thế U sẽ cho kết quả điện tích khác nhau, cho thấy khả năng tích điện của chúng khác nhau.

- Độ lớn điện tích Q tụ điện tích được tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt vào hai bản của nó: Q=CU.

- Điện dung C là hằng số đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện và được tính bằng tỉ số giữa điện tích Q và hiệu điện thế U đặt vào hai bản tụ điện.

- Đơn vị của điện dung C là fara (kí hiệu là F), là điện dung của một tụ điện mà nếu đặt hiệu điện thế 1 V vào hai bản tụ điện thì điện tích của tụ điện là 1C.

- Tụ điện thực tế thường có điện dung từ 10^-12 F đến 10^-6 F, được đo bằng các đơn vị:

+ 1 micrôfara (kí hiệu là uF) = 10^-6 F.

+ 1 nanôfara (kí hiệu là nF) = 10^-9 F.

+ 1 picôfara (kí hiệu là pF) = 10^-12 F.

- Trên vỏ tụ điện thường ghi hai thông số kĩ thuật quan trọng là điện dung của tụ điện và hiệu điện thế tối đa được sử dụng.

- Các thông số khác của từng loại tụ điện có thể bao gồm tần số dòng điện, khoảng nhiệt độ mà tụ điện hoạt động bình thường...

2. Điện dung của bộ tụ điện

- Trong thực tế muốn có tụ điện với điện dung thích hợp hay hiệu điện thế cần thiết người ta phải ghép các tụ điện thành bộ tụ điện.

a) Ghép nối tiếp

- Ghép nối tiếp n tụ điện chưa tích điện có điện dung C₁, C₂, ..., Cn với nhau và mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế U (Hình 21.7).

- Hiệu điện thế, điện tích và điện dung của bộ tụ phụ thuộc vào các đại lượng tương ứng của mỗi tụ theo các công thức sau:

+ U = U₁ + U₂+ ... + U_n

+ Q = Q₁=Q₂ =…= Q_n

+ 1/C = 1/C₁ +1/C₂ +…+ 1/C_n

b) Ghép song song

- Ghép n tụ điện chưa tích điện có điện dung C₁, C₂, ..., C_n song song với nhau và mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế U (Hình 21.8).

- Hiệu điện thế, điện tích và điện dung của bộ tụ phụ thuộc vào các đại lượng tương ứng của mỗi tụ theo các công thức sau:

+ U = U₁ = U₂ = ... = U_n

+ Q = Q₁ + Q₂ + … +Q_n

+ C=C₁ + C₂ + … +C_n

III. Năng lượng của tụ điện

- Khi sử dụng nguồn điện để tích điện cho tụ, công A của nguồn điện dịch chuyển các electron từ bản cực dương sang bản cực âm của tụ, tạo ra năng lượng W = A.

- Ứng dụng quan trọng nhất của tụ điện là tích trữ và cung cấp năng lượng.

- Quá trình tích điện cho tụ điện diễn ra trong khoảng thời gian, hiệu điện thế tăng tỉ lệ thuận với lượng điện tích tích được trên tụ.

- Ta tích điện cho tụ điện đến điện tích q₁ = q bởi hiệu điện thế U₁ = (1/C).q, và tiếp tục tích điện thêm q₂ = q₁ + Δq bởi hiệu điện thế U2 = (q+Δq)/C.

- Công của nguồn điện dịch chuyển một điện tích nhỏ Aq từ bản cực này tới bản cực kia bằng ΔA = Δq.U.

- Khi điện tích Δq rất nhỏ, ΔA = ((U₁+U₂)/2).Δq chính bằng điện tích hình thang ABGD.

- Công để tích điện cho tụ điện đến điện tích Q bằng tổng các công nhỏ ΔA hay tổng các diện tích hình thang tương ứng. Công A mà nguồn điện thực hiện bằng diện tích hình tam giác OQM: A = QU/2.

- Năng lượng của tụ điện tích điện được tính bằng công thức W = Q²/2C = CU²/2, với Q là điện tích, U là hiệu điện thế, C là điện dung.

- Năng lượng của tụ điện cũng chính là năng lượng điện trường trong tụ điện.

IV. Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

- Tích trữ năng lượng là chức năng quan trọng nhất của tụ điện và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện như động cơ xe máy, máy hàn dùng công nghệ phóng điện của tụ (Hình 21.10), mạch khuếch đại...

- Tụ điện còn có nhiều chức năng khác như lưu trữ điện tích, lọc dòng điện một chiều,..

Sơ đồ tư duy về “Tụ điện”

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí 11 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 20: Điện thế

Bài 21: Tụ điện

Bài 22: Cường độ dòng điện

Bài 23: Điện trở. Định luật Ôm

Bài 24: Nguồn điện