Lý thuyết Tụ điện – Vật lí 11 Kết nối tri thức

Lý thuyết Vật lí 11 Bài 21: Tụ điện 

A. 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”

B. Bài tập Tụ điện

Câu 1. Điện dung của tụ điện được xác định bằng biểu thức:

A. C = QU.

B. $C=\frac{Q}{U}$.

C. $C=\frac{U}{Q}$.

D. C = $\frac{2Q}{U}$.

Câu 2. Một tụ có điện dung 2 μF. Khi đặt một hiệu điện thế 5 V vào 2 bản của tụ điện thì tụ tích được một điện lượng là

A. 2.10^-6 C.          

B. 2.10^-5 C.          

C. 10^-6 C.             

D. 10^-5 C.

Câu 3. Đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế 5 V thì tụ tích được một điện lượng 10^-5 C. Điện dung của tụ là

A. 2 μF.                

B. 2 mF.               

C. 2 F.                           

D. 2 nF.

Câu 4. Bộ tụ điện gồm ba tụ điện: C₁ = 10 (μF), C₂ = 15 (μF), C₃ = 20 (μF) mắc song song với nhau. Điện dung của bộ tụ điện là:

A. 5 (μF).

B. 45 (μF).

C. 0,21 (μF).

D. 20 (μF).

Câu 5. Nếu đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế 5 V thì tụ tích được một điện lượng 2 μC. Nếu đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế 10 V thì tụ tích được một điện lượng

A. 40 μC.             

B. 1 μC.               

C. 4 μC.               

D. 0,1 μC.

Câu 6. Fara là điện dung của một tụ điện mà

A. giữa hai bản tụ có hiệu điện thế 1V thì nó tích được điện tích 1 C.

B. giữa hai bản tụ có một hiệu điện thế không đổi thì nó được tích điện 1 C.

C. giữa hai bản tụ có điện môi với hằng số điện môi bằng 1.

D. khoảng cách giữa hai bản tụ là 1 mm.

Câu 7. Cặp số liệu ghi trên vỏ tụ điện cho biết điều gì?

A. Giá trị nhỏ nhất của điện dung và hiệu điện thế đặt vào hai cực của tụ.

B. Phân biệt được tên của các loại tụ điện.

C. Điện dung của tụ và giới hạn của hiệu điện thế đặt vào hai cực của tụ.

D. Năng lượng của điện trường trong tụ điện.

Câu 8. Tụ điện là

A. hệ thống hai vật dẫn đặt cách nhau một khoảng đủ xa.

B. hệ thống gồm hai vật đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện.

C. hệ thống gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện.

D. hệ thống gồm hai vật dẫn đặt tiếp xúc với nhau và được bao bọc bằng điện môi.

Câu 9. Trường hợp nào sau đây ta không có một tụ điện?

A. Giữa hai bản kim loại là sứ.

B. Giữa hai bản kim loại là không khí.

C. Giữa hai bản kim loại là nước tinh khiết.

D. Giữa hai bản kim loại là dung dịch NaOH.

Câu 10. Nếu hiệu điện thế giữa hai bản tụ tăng 4 lần thì điện dung của tụ

A. tăng 2 lần.                

B. giảm 2 lần.                

C. tăng 4 lần.                 

D. không đổi.

Xem thêm tóm tắt lý thuyết Vật lí 11 sách Kết nối tri thức, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 22: Cường độ dòng điện

Lý thuyết Bài 23: Điện trở. Định luật Ôm

Lý thuyết Bài 24: Nguồn điện

Lý thuyết Bài 25: Năng lượng và công suất điện

Lý thuyết Bài 26: Khúc xạ ánh sáng