Sách bài tập Vật lí 11 Bài 14 (Chân trời sáng tạo): Tụ điện

Giải SBT Vật lí 11 Bài 14: Tụ điện

A. Trắc nghiệm

Câu 14.1 (B) trang 53 Sách bài tập Vật Lí 11: Đại lượng nào đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện?

A. Hiệu điện thế giữa hai bản tụ.

B. Hằng số điện môi.

C. Cường độ điện trường bên trong tụ.

D. Điện dung của tụ điện.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện là: Điện dung của tụ điện.

Câu 14.2 (B) trang 53 Sách bài tập Vật Lí 11: Chọn từ/cụm từ thich hợp trong bảng dưới đây để điền vào các chỗ trống.

Các chất điện môi chứa ít hoặc không có hạt mang điện tự do, không cho (1) ... chạy qua. Mỗi chất điện môi được đặc trưng bởi (2)..., kí hiệu là $\epsilon$ .

Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng (3) ... của tụ, phụ thuộc vào (4)... của tụ điện và (5)... vào hiệu điện thế giữa hai bản tụ.

Lời giải:

(1) điện tích; (2) hằng số điện môi; (3) tích điện; (4) cấu tạo; (5) không phụ thuộc.

Câu 14.3 (B) trang 53 Sách bài tập Vật Lí 11: Ghép nối tiếp hai tụ điện có điện dung lần lượt là C₁ và C₂ (với $C_1>C_2$ ) thành một bộ tụ có điện dung C. Sắp xếp đúng là

A. $C<C_2<C_1$ .

B. $C<C_1<C_2$ .

C. $C_2<C<C_1$ .

D. $C_2<C_1<C$ .

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Hai tụ ghép nối tiếp $C=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}=\frac{1}{\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}}<C_2$

Câu 14.4 (B) trang 53 Sách bài tập Vật Lí 11: Trên vỏ một tụ điện có ghi $1000\mu \text{F}-63\text{ V}$ . Điện tích tối đa có thể tích cho tụ có giá trị là

A. 063 C.

B. 0,063 C.

C. 63 C.

D. 63 000 C.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Điện tích tối đa Q = CU = 0,063 C

Câu 14.5 (H) trang 54 Sách bài tập Vật Lí 11: Hệ nào sau đây có thể coi tương đương như một tụ điện?

A. Hai bản bằng đồng đặt song song rồi được nhúng vào trong dung dịch muối ăn.

B. Hai quả cầu kim loại đặt gần nhau trong không khí.

C. Hai tấm thuỷ tinh đặt song song rồi được nhúng vào trong nước cất.

D. Hai quả cầu bằng mica đặt gần nhau trong chân không.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Tụ điện có cấu tạo gồm 2 vật dẫn đặt gần nhau, cách điện với nhau.

B. Tự luận

Bài 14.1 (B) trang 54 Sách bài tập Vật Lí 11: Các thông số được ghi trên các tụ điện trong Hình 14.1 cho biết điều gì?

Lời giải:

Vì trên vỏ tụ điện thường sẽ ghi giá trị điện dung và hiệu điện thế giới hạn của tụ nên ta có bảng sau:

Bài 14.2 (B) trang 54 Sách bài tập Vật Lí 11: Có nhận định cho rằng: "Để giảm điện dung của một tụ điện bất kì thì ta chỉ cần tăng hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện đó". Em hãy cho biết nhận định trên là đúng hay sai. Vì sao?

Lời giải:

Nhận định trên là sai vì điện dung của một tụ điện chỉ phụ thuộc vào cấu tạo của tụ điện mà không phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai bản tụ.

Bài 14.3 (H) trang 54 Sách bài tập Vật Lí 11: Nối hai bản của tụ điện 1 với hai cực của một nguồn điện không đổi thì hiệu điện thế giữa hai bản tụ là U và điện tích của tụ là Q. Ngắt tụ điện 1 khỏi nguồn, sau đó nối hai bản của tụ điện 1 với hai bản của tụ điện 2 giống hệt tụ điện 1. Hãy cho biết hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện 1 thay đổi như thế nào nếu ban đầu tụ điện 2 không tích điện.

Lời giải:

Vì hai tụ điện giống hệt nhau nên khi mắc hai bản của tụ điện 1 với hai bản của tụ điện 2 thì điện tích từ tụ điện 1 sẽ chuyển dời qua tụ điện 2 đến khi điện tích hai tụ bằng nhau. Do đó, điện tích của tụ điện 1 sẽ giảm đi một nửa, dẫn đến hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện 1 sẽ giảm đi một nửa do điện dung không thay đổi.

Bài 14.4 (H) trang 54 Sách bài tập Vật Lí 11: Một tụ điện phẳng không khí được nối với hai cực của một nguồn điện không đổi để tích điện. Khi ngắt tụ điện ra khỏi nguồn điện rồi đưa vào giữa hai bản tụ một lớp điện môi có hằng số điện môi lớn hơn 1 thì điện dung, điện tích trên bản tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản tụ thay đổi như thế nào?

Lời giải:

Khi đưa vào giữa hai bản tụ không khí một lớp điện môi thì hằng số điện môi tăng lên nên điện dung tụ điện tăng, dẫn đến hiệu điện thế giữa hai bản tụ giảm đi do điện tích tụ điện không thay đổi.

Bài 14.5 (H) trang 55 Sách bài tập Vật Lí 11: Điện dung của một tụ điện phẳng thay đổi như thế nào nếu tăng diện tích của hai bản tụ nhưng phần diện tích đối diện S giữa hai bản vẫn được giữ không đổi?

Lời giải:

Điện dung không thay đổi vì điện dung của tụ điện phẳng phụ thuộc vào phần diện tích đối diện S giữa hai bản chứ không phụ thuộc diện tích mỗi bản tụ điện.

Bài 14.6 (VD) trang 55 Sách bài tập Vật Lí 11: Trong một ngày giông bão, xét một đám mây tích điện mang lượng điện tích âm có độ lớn 30 C đang ở độ cao 35 km so với mặt đất. Giả sử đám mây này có dạng đĩa tròn với bán kính 0,8 km; xem như đám mây và mặt đất tương đương với hai bản của một "tụ điện” phẳng với lớp điện môi giữa hai bản là không khí. Cho biết điện dung của tụ điện phẳng có thể được xác định bằng công thức:

$C=\frac{\epsilon S}{4\pi kd}$

Trong đó: $k={9.10}^9\frac{{\text{Nm}}^2}{{\text{C}}^2}$ .

$\epsilon$ là hằng số điện môi của lớp điện môi giữa hai bản tụ ( $\epsilon \approx 1$ với không khí).

S (m²) là diện tích của bản tụ.

d (m) là khoảng cách giữa hai bản tụ.

a) Xác định giá trị điện dung C của "tụ điện" nói trên.

b) Xác định cường độ điện trường trong khoảng giữa đám mây và mặt đất. Giả sử điện trường trong vùng không gian này là điện trường đều.

Lời giải:

a) Điện dung của "tụ điện" là: $C=\frac{\epsilon S}{4\pi kd}=\frac{1\cdot \pi \cdot {\left(0,8\cdot {10}^3\right)}^2}{4\pi \cdot 9\cdot {10}^9\cdot \left(35\cdot {10}^3\right)}\approx 5,1\cdot {10}^{-10}\text{ F}$ .

b) Hiệu điện thế giữa hai bản tụ là: $U=\frac{Q}{C}=\frac{30}{5,1\cdot {10}^{-10}}\approx 5,9\cdot {10}^{10}\text{ V}$ .

Cường độ điện trường trong khoảng giữa đám mây và mặt đất (giữa hai bản tụ) là: $E=\frac{U}{d}=\frac{5,9\cdot {10}^{10}}{35\cdot {10}^3}\approx 1,{7.10}^6\text{ V/m}$

Bài 14.7 (VD) trang 55 Sách bài tập Vật Lí 11: Trong một số bàn phím máy tính, mỗi nút bấm được gắn với một tụ điện phẳng hai bản song song (có mô hình minh hoạ như Hình 14.2).

Khi giá trị điện dung của tụ điện thay đổi, máy tính sẽ ghi nhận tín hiệu tương ứng với kí tự trên bàn phím. Bản kim loại phía trên của tụ được gắn chặt với nút bấm và có thể di chuyển mỗi khi nhấn nút. Tụ điện nói trên được nối với mạch điện ngoài nên hiệu điện thế giữa hai bản tụ được duy trì ở một giá trị không đổi $U=5\text{ V}$ . Trước khi gõ phím, khoảng cách giữa hai bản tụ là 2 mm, khi đó tụ điện có điện dung là 0,81 pF. Biết rằng điện dung của tụ tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản tụ. Khi gõ nút bấm đi xuống một đoạn 1,5 mm thì điện tích của tụ điện sẽ tăng hay giảm một lượng bao nhiêu?

Lời giải:

Điện tích của tụ điện trước khi gõ là: $Q_1=C_1{U}_1=\left(0,81\cdot {10}^{-12}\right)\cdot 5\approx 4,05\cdot {10}^{-12}\text{C}$ .

Gọi điện dung của tụ điện sau khi gõ là C₂. Vì điện dung của tụ điện tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản tụ nên: $\frac{C_2}{C_1}=\frac{d_1}{d_2}\Rightarrow C_2=C_1\cdot \frac{d_1}{d_2}=0,81\cdot \frac{2}{2-1,5}=3,24\text{pF}$

Điện tích của tụ điện sau khi gõ là: $Q_2=C_2{U}_2=\left(3,24\cdot {10}^{-12}\right)\cdot 5\approx 1,62\cdot {10}^{-11}\text{C}$ .

Điện tích của tụ điện tăng một lượng: $\text{Δ}Q=Q_2-Q_1=1,62\cdot {10}^{-11}-4,05\cdot {10}^{-12}\approx 1,22\cdot {10}^{-11}\text{C}$

Bài 14.8 (VD) trang 56 Sách bài tập Vật Lí 11: Cho các tụ điện với điện dung $C_1=C_4=3\mu \text{F},C_2=C_3=6\mu \text{F}$ , ban đầu không tích điện được nối với nhau theo sơ đồ như Hình 14.3. Sau đó mắc hai điểm A, B của mạch điện trên vào nguồn điện không đổi có hiệu điện thế $U_{\text{AB}}=180\text{ V}$ . Tính hiệu điện thế U_CD.

Lời giải:

Giá trị các điện dung tương đương là: $C_{12}=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}=\frac{3.6}{3+6}=2\mu \text{F và }{C}_{34}=\frac{C_3{C}_4}{C_3+C_4}=\frac{6.3}{6+3}=2\mu \text{F. }$

Điện tích trên từng bản tụ là: $Q_{12}=Q_1=Q_2=U_{AB}{C}_{12}=180\cdot \left(2\cdot {10}^{-6}\right)=3,6\cdot {10}^{-4}\text{C}$

$Q_{34}=Q_3=Q_4=U_{AB}{C}_{34}=180\cdot \left(2\cdot {10}^{-6}\right)=3,6\cdot {10}^{-4}\text{C}$

Hiệu điện thế giữa hai bản tụ C₁ là: $U_1=\frac{Q_1}{C_1}=\frac{3,6\cdot {10}^{-4}}{3\cdot {10}^{-6}}=120\text{ V}$ .

Hiệu điện thế giữa hai bản tụ C₃ là: $U_3=\frac{Q_3}{C_3}=\frac{\left(3,6\cdot {10}^{-4}\right)}{6\cdot {10}^{-6}}=60\text{ V}$ .

Hiệu điện thế U_CD là: $U_{\text{CD}}=U_{\text{CA}}+U_{\text{AD}}=-U_3+U_1=-60+120=60\text{ V}$

Lý thuyết Tụ điện

1. Điện môi trong điện trường

Những vật được cấu tạo từ các chất chứa ít hoặc không có hạt mang điện tự do, không cho điện tích chạy qua được gọi là điện môi hay vật cách điện.

Ví dụ: nhựa, cao su, sứ, thuỷ tinh,... Khi tích điện cho khối điện môi, điện tích dư sẽ nằm ngay tại vị trí được đưa vào.

Mỗi chất điện mới được đặc trưng bởi hàng số điện môi, kí hiệu là ε.

2. Tụ điện

a. Khái niệm tụ điện

Tụ điện là một hệ gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện. Mỗi vật dẫn được gọi là một bản của tụ điện.

Dựa vào hình dạng của tụ điện, người ta chia tụ điện thành các loại: tụ điện phẳng, tụ điện trụ và tụ điện cầu.

b. Điện dung của tụ điện

Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ, kí hiệu là C và được xác định bởi: C = Q/U

Trong hệ SI, điện dung có đơn vị là fara (F).

3. Ghép tụ điện

a. Bộ tụ ghép nối tiếp

Điện dung của bộ tụ ghép nối tiếp được xác định:

b. Bộ tụ ghép song song

Điện dung của bộ tụ ghép song song được xác định:

C_b = C₁ + C₂ +…+ C_n

Sơ đồ tư duy "Tụ điện''

Xem thêm các bài giải SBT Vật lí 11 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 15: Năng lượng và ứng dụng của tụ điện

Bài 16: Dòng điện. Cường độ dòng điện

Bài 17: Điện trở. Định luật Ohm

Bài 18: Nguồn điện

Bài 19: Năng lượng điện. Công suất điện