Giáo án Vật lý 11 - Chuyên đề 1: Điện tích - Điện trường - Chủ đề 3: Tụ điện – năng lượng điện trường của tụ

Tô ®iÖn – n¨ng l­îng ®iÖn tr­êng cña tô
 Chñ ®Ò 03 
A. KIẾN THỨC CƠ BẢN
1. Khái niệm về tụ điện
+ 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.
+ Tụ điện dùng để chứa điện tích.
+ Tụ điện là dụng cụ được dùng phổ biến trong các mạch điện xoay chiều và các mạch vô tuyến điện. Nó có nhiệm vụ tích và phóng điện trong mạch điện.
2. Tụ điện phẳng
+ Tụ điện phẳng là tụ điện với hai bản là hai tấm kim loại có kích thước rất lớn so với khoảng cách giữa hai bản, đặt song song đối diện nhau và cách điện với nhau.
+ Khi nối tụ điện với hai cực của nguồn, một bản sẽ mất e, bản kia nhận e và hai bản sẽ tích điện trái dấu, nhưng độ lớn điện tích trên 2 bản bằng nhau. 
+ Độ lớn điện tích trên mỗi bản của tụ điện khi đã tích điện gọi là điện tích của tụ điện.
3. Điện dung của tụ điện
+ Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định. 
+ Kí hiệu điện dung của tụ là C; kí hiệu trên sơ đồ mạch điện
+ Công thức tính điện dung: C = 
+ Đơn vị điện dung là fara (F).
+ Điện dung của tụ điện phẳng: C = .
	Trong đó: S là diện tích của mỗi bản (phần đối diện); d là khoảng cách giữa hai bản và e là hằng số điện môi của lớp điện môi chiếm đầy giữa hai bản.
Chú ý: Mỗi tụ điện có một hiệu điện thế giới hạn. Khi hiệu điện thế giữa hai bản tụ vượt quá hiệu điện thế giới hạn thì lớp điện môi giữa hai bản tụ bị đánh thủng, tụ điện bị hỏng.
4. Ghép các tụ điện
Các đại lượng
Ghép song song
Ghép nối tiếp
Sơ đồ
Hiệu điện thế
U = U1 = U2 =  = Un
U = U1 + U2 +  + Un
Điện tích của bộ tụ
Q = q1 + q2 +  + qn
Q = q1 = q2 =  = qn
Điện dung của bộ tụ
C = C1 + C2 +  + Cn
Khi chỉ có 2 tụ
C = C1 + C2
Khi có n tụ C0 giống nhau
C = nC0
5. Năng lượng điện trường của tụ điện
+ Năng lượng tụ điện chính là năng lượng điện trường bên trong tụ điện: 
+ Năng lượng của tụ chính là công của nguồn điện để đưa các điện tích dịch chuyển đến hai bản tụ.
+ Công thức năng lượng điện trường của tụ: W = QU = = CU2.
+ Đối với tụ điện phẳng: 
B. CÁC DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI
Dạng 1: Tính điện dung, điện tích, hiệu điện thế của tụ điện
*Phương pháp giải bài tập:
+ Công thức tính điện dung: C = 
+ Điện dung của tụ điện phẳng: C = .
+ Đơn vị điện dung C là fara (F) viết là C (F)
+ Đổi đơn vị điện dung (ước của Fara F)
Đơn vị đo (A)
Mili (mA)
Micrô ()
Nanô (nA)
Picrô (pA)
1 F
1 mF = 10-3 F
1 = 10-6 F
1 nF = 10-9 F
1 pF = 10-12 F
1 C
1 mC = 10-3 C
1 = 10-6 C
1 nC = 10-9 C
1 pC = 10-12 C
1 s
1 ms = 10-3 s
1 = 10-6 s
1 J
1 mJ = 10-3 J
1 = 10-6 J
- Chú ý:
+ Tụ điện được nối với nguồn có hiệu điện thế U thì hiệu điện thế của tụ là U không đổi.
+ Tụ điện được tích điện tích Q. Khi tách ra khỏi nguồn, thì điện tích của tụ là Q không đổi.
*Bài tập vận dụng:
Bài 1: Một tụ điện phẳng có hai tấm kim loại, diện tích của mỗi bản tụ là S = 100 cm2 đặt cách nhau d = 2 mm, điện môi là mica có hằng số điện môi là . Tính điện tích của mỗi tụ khi được tích điện ở hiệu điện thế 220 V. [Q = 5,84.10-8 C]
Bài 2: Hai bản tụ phẳng có tiết diện là hình tròn bán kính R = 60 cm, khoảng cách giữa hai bản tụ là d = 2 mm. Giữa hai bản là không khí.
Tính điện dung của tụ điện [C = 5.10-9 F = 5 nF]
Tìm điện tích lớn nhất mà tụ có thể tích được để không bị đánh thủng. Biết cường độ điện trường lớn nhất mà tụ chịu được là 300000 V/m. [Qmax = 3.10-6 C]
Dạng 2: Bài toán ghép tụ điện
*Phương pháp
Các đại lượng
Ghép song song
Ghép nối tiếp
Sơ đồ
Hiệu điện thế
U = U1 = U2 =  = Un
U = U1 + U2 +  + Un
Điện tích của bộ tụ
Q = q1 + q2 +  + qn
Q = q1 = q2 =  = qn
Điện dung của bộ tụ
C = C1 + C2 +  + Cn
Khi chỉ có 2 tụ
C = C1 + C2
Khi có n tụ C0 giống nhau
C = nC0
Chú ý: Khi tụ đã được tích điện trước khi ghép thì điện tích của bộ tụ trước và sau ghép là không đổi!
* Một số bài tập vận dụng
Bài 1. Cho ba tụ có điện dung lần lượt là C1 = 1; C2 = 2; C3 = 3. Tính điện dung của bộ tụ ghép trong hai trường hợp sau:
C1 nt C2 nt C3.
C1 // C2 // C3.
C1 // (C2 nt C3).
C1 nt (C2 // C3).
Bài 2. Cho ba tụ có điện dung lần lượt là C1 = 2; C2 = 4; C3 = 6 mắc theo sơ đồ C1 // (C2 nt C3).
Tính điện dung của bộ tụ.
Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế U = 4 V. Tính hiệu điện thế hai đầu mỗi tụ, điện tích mỗi tụ và điện tích của bộ tụ.
Dạng 3: Năng lượng điện trường của tụ điện
Phương pháp
+ Công thức năng lượng điện trường của tụ: W = QU = = CU2
+ Đổi đơn vị điện dung (ước của Fara F)
Đơn vị đo (A)
Mili (mA)
Micrô ()
Nanô (nA)
Picrô (pA)
1 F
1 mF = 10-3 F
1 = 10-6 F
1 nF = 10-9 F
1 pF = 10-12 F
1 C
1 mC = 10-3 C
1 = 10-6 C
1 nC = 10-9 C
1 pC = 10-12 C
1 s
1 ms = 10-3 s
1 = 10-6 s
1 J
1 mJ = 10-3 J
1 = 10-6 J
Một số ví dụ
Bài 1: Hai tụ điện C1 =12, C1 =6mắc nối tiếp. Mắc bộ tụ vào hai cực của nguồn điện có hiệu điện thế U = 4 V. Tính điện tích và năng lượng điện trường của mỗi tụ.
Hướng dẫn
+ Điện dung của bộ tụ: 
+ Do C1 nối tiếp C2: q1 = q2 = q = CU = 4.4 = 16 
+ Năng lượng của tụ 1: 
+ Năng lượng của tụ 2: 
Bài 2: Tụ điện phẳng không khí, có điện dung C = 10 nF được tích điện đến hiệu điện thế U = 100 V rồi ngắt khỏi nguồn điện.
Tính năng lượng của tụ điện.
Tính công cần thiết để tăng khoảng cách giữa hai bản tụ lên gấp đôi.
Khi đưa tấm thủy tinh có hằng số điện môi vào trong khoảng giữa hai bản tụ. Tính năng lượng của tụ điện lúc này.
Hướng dẫn
a) Năng lượng của tụ điện ban đầu: 
b) Tính công để tăng khoảng cách bằng độ tăng năng lượng điện trường trong tụ:
+ Khi ngắt tụ ra khỏi nguồn điện, thì điện tích của tụ không đổi. Q = Q’
+ Đối với tụ điện phẳng không khí: 
+ Khi tăng khoảng cách giữa hai bản: 
+ Ta có: 
Vậy, phần công thực hiện để tăng khoảng cách lên 2 lần: A = W’-W = W = 5.10-5 J
Năng lượng khi cho tấm thủy tinh:
+ Khi ngắt tụ ra khỏi nguồn điện, thì điện tích của tụ không đổi. Q = Q’
+ Đối với tụ điện phẳng không khí: 
+ Sau khi cho tấm thủy tinh vào giữa hai bản: 
+ Ta có: