
Anonymous
0
0
50 bài tập về Tụ điện, năng lượng điện trường (có đáp án 2023) - Vật lí 11
- asked 4 months agoVotes
0Answers
1Views
Bài tập tụ điện, năng lượng điện trường và cách giải - Vật lý lớp 11
I. Lý thuyết
1. Tụ điện
- Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện. Tụ điện dùng để chứa điện tích.
- Điện dung của tụ điện (C) là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhấtđịnh. Nó được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó.
Q = C. U hay
- Trong đó:
C: Điện dung của tụ đo bằng đơn vị fara (F).
U: Hiệu điện thế (V).
Q: Điện tích (C).
- Đổi đơn vị:1 micrôfara (kí hiệu là μF) = 1.10-6 F.
1 nanôfara (kí hiệu là nF) = 1.10-9 F.
1picôfara (kí hiệu là pF) = 1.10-12 F.
- Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng:
Trong đó:
+ S: Diện tích đối diện giữa 2 bản
+ d: Khoảng cách hai bản tụ (m)
+ Hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản tụ
- Ghép tụ điện song song, nối tiếp
GHÉP NỐI TIẾP |
GHÉP SONG SONG | |
Cách mắc |
Bản thứ hai của tụ 1 nối với bản thứ nhất của tụ 2, cứ thế tiếp tục |
Bản thứ nhất của tụ 1 nối với bản thứ nhất của tụ 2, 3, 4… |
Điện tích | ||
Hiệu điện thế | ||
Điện dung | ||
Ghi chú |
|
Chú ý:
+Trên vỏ tụ điện thường ghi (10 mF – 250 V), số liệu thứ nhất có nghĩa là điện dung của tụ, số liệu thứ 2 cho biết hiệu điện thế tối đa mà tụ có thể đạt được.
+Với mỗi tụ điện có 1 hiệu điện thế giới hạn nhất định, khi sử dụng mà đặt vào 2 bản tụ hiệu điện thế lớn hơn hiệu điện thế giới hạn thì điện môi giữa 2 bản bị đánh thủng.
Ta có:
+Điện tích của tụ không đổi khi bị ngắt ra khỏi nguồn. Hiệu điện thế không đổi khi mắc tụ vào nguồn.
2. Năng lượng điện trường
- Khi tụ điện tích điện thì điện trường trong tụ điện sẽ dự trữ một năng lượng. Đó là năng lượng điện trường.
- Công thức tính năng lượng của điện trường trong tụ điện:
Với W: Năng lượng điện trường (J)
Q: Điện tích của tụ điện
C: Điện dung của tụ điện (F)
U: Hiệu điện thế giữa hai bản tụ (V)
II. Các dạng bài tập
Dạng 1: Tính hiệu điện thế, điện tích và điện dung của tụ điện
1. Phương pháp giải
- Áp dụng công thức tụ điện
- Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng để giải bài toán
Chú ý:
+ Tụ điện được nối vào nguồn có hiệu điện thế U thì hiệu điện thế của tụ điện là U không đổi.
+ Tụ điện được tích điện Q, nếu tách tụ ra khỏi nguồn thì điện tích của tụ là Q không đổi.
2. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Một tụ điện có ghi 1000 mF – 12V.
a)Cho biết ý nghĩa của con số trên. Tính điện tích cực đại của tụ.
b)Mắc tụ trên vào hai điểm có hiệu điện thế U = 10V. Tính điện tích của tụ khi đó.
c)Muốn tích cho tụ điện một điện tích là 5 mC thì cần phải đặt giữa hai bản tụ một hiệu điện thế là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
a)Con số 1000 mF cho biết điện dung của tụ điện là 1000 mF. Con số 12 V cho biết hiệu điện thế cực đại có thể đặt vào hai bản tụ là 12 V.
+Điện tích cực đại tụ có thể tích được:
b)Điện tích tụ tích được khi mắc tụ vào hiệu điện thế U = 10 V là:
c)Hiệu điện thế cần phải đặt vào giữa hai bản tụ là:
Ví dụ 2:Một tụ điện phẳng không khí có điện dung C = 500pF được tích điện đến hiệu điện thế U = 300 V. Ngăt tụ khỏi nguồn, nhúng vào chất điện môi lỏng ε = 2. Hiệu điện thế của tụ lúc đó là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
- Khi đặt trong không khí điện tích của tụ là
Q = CU = 500.10-12.300 = 1,5.10-7 C
- Ngắt tụ khỏi nguồn và nhúng vào chất điện môi thì:
+Điện tích trên tụ là không đổi Q '= Q = 1,5.10-7 C
+ Điện dung của tụ
=> Hiệu điện thế lúc này là
Dạng 2: Ghép các tụ điện
1. Lý thuyết
- Tụ điện ghép nối tiếp
- Công thức tìm điện dung cho 2 tụ nối tiếp:
- Khi có n tụ giống nhau mắc nối tiếp:
- Tụ điện ghép song song
+ Công thức tính điện dung C của tụ điện khi mắc song song:
+ Công thức tính điện tích Q của tụ điện khi mắc song song:
+ Công thức tính hiệu điện thế U của tụ điện khi mắc song song:
- Công thức tính điện dung C của tụ điện khi mắc 2 tụ C1 và C2 song song:
- Công thức tính điện dung C của tụ điện khi n tụ giống nhau ghép song song:
2. Phương pháp
- Bước 1: Xác định cách mắc của các điện tích
- Bước 2: Áp dụng công thức mạch điện nối tiếp và song song để giải bài toán
Chú ý:
+ Nếu ban đầu các tụ chưa tích điện, khi ghép nối tiếp thì các tụ điện có cùng điện tích, khi ghép song song các tụ điện có cùng một hiệu điện thế.
+ Nếu ban đầu tụ điện (một hoặc một số tụ điện trong bộ) đã được tích điện cần áp dụng định luật bảo toàn điện tích (tổng đại số các điện tích của hai bản nối với nhau bằng dây dẫn được bảo toàn, nghĩa là tổng điện tích của hai bản đó trước khi nối với nhau bằng tổng điện tích của chúng sau khi nối).
3. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Cho mạch điện gồm 3 tụ điện mắc nối tiếp nhau. Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế
a) Vẽ hình.
b) Tính điện dung tương đương của bộ tụ.
c) Tính điện tích và hiệu điện thế mỗi tụ.
Hướng dẫn giải
a) Vẽ hình
b) Do 3 tụ điện mắc nối tiếp, ta có:
c) Điện tích của bộ tụ
Vì các tụ nối tiếp, ta có
Hiệu điện thế mỗi tụ
Ví dụ 2: Hai tụ không khí phẳng C1 = 0,1 μC, C2 = 0,2 μC mắc song song. Bộ tụ được tích điện đến hiệu điện thế U = 300 V rồi ngắt khỏi nguồn. Sau đó lấp đầy khoảng giữa 2 bản C2 bằng điện môi ε = 2. Tính hiệu điện thế bộ tụ và điện tích mỗi tụ.
Hướng dẫn giải
Điện dung của bộ tụ trước khi ngắt khỏi nguồn: C = C1 + C2 = 0,1 + 0,2 = 0,3 μF
Điện tích của bộ tụ: Q = CU = 0,3.10-6.300 = 9.10-5 C.
Điện dung của tụ C2 sau khi lấp đầy điện môi:
= εC2 = 2.0,2 = 0,4 μF
Điện dung của bộ tụ sau khi lấp đầy C2 bằng điện môi:
C’ = C1 + C2’ = 0,1 + 0,4 = 0,5 μF
Ngắt tụ ra khỏi nguồn thì điện tích không đổi: Q’ = Q = 9.10-5 C.
Hiệu điện thế của bộ tụ sau khi ngắt khỏi nguồn:
2 tụ mắc // nên U1’ = U2’ = 180 V
Điện tích của tụ C1: Q1’ = C1U1’ = 0,1.10-6.180 = 1,8.10-5 C
Điện tích của tụ C2: Q2’ = C2’U2’ = 0,4.10-6.180 = 7,2.10-5 C.
Ví dụ 3: Có hai tụ điện, tụ thứ nhất có điện dung mF, tích đến hiệu điện thế V và tụ thứ hai điện dung có mF, tích đến hiệu điện thế V. Xác định điện tích và hiệu điện thế của các tụ sau khi nối hai bản mang điện tích cùng dấu của hai bản tụ đó với nhau.
Hướng dẫn giải
+ Điện tích của tụ và tụ trước khi nối:
+ Khi nối các bản cùng dấu, nghĩa là nối A – M và B – N, thì sẽ có sự phân bố lại điện tích trên các bản. Giả sử điện tích trên các tụ lúc này là và và dấu của chúng được biểu thị như hình.
+ Áp dụng định luật bảo toàn điện tích cho nối A – M:
+ Sau khi ghép ta có:
+ Giải (1) và (2) ta có:
Lưu ý: Trong biểu thức (1) ta lấy dấu (+) trước Q vì các bản ta đang xét mang điện tích dương.
Dạng 3: Năng lượng điện trường
1. Phương pháp
- Áp dụng công thức năng lượng điện trường tính các đại lượng liên quan tới yêu cầu bài toán
Với W: Năng lượng điện trường (J)
Q: Điện tích của tụ điện
C: Điện dung của tụ điện (F)
U: Hiệu điện thế giữa hai bản tụ (V)
Chú ý: Năng lượng của bộ tụ điện: Wbộ = W1 + W2 + … + Wn (J)
2. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Một tụ điện có điện dung C = 6µF được mắc vào nguồn điện hiệu điện thế U = 100V. Sau khi tụ được ngắt ra khỏi nguồn, điện tích của tụ điện phóng qua lớp điện môi trong tụ điện đến khi hết điện tích. Tính nhiệt lượng tỏa ra ở điện môi trong thời gian phóng điện đó.
Hướng dẫn giải
+ Năng lượng của tụ điện
+ Khi tụ phóng điện qua lớp điện môi thì làm điện môi nóng lên. Khi hết hẳn điện tích thì toàn bộ năng lượng của tụ chuyển hết thành nhiệt, do đó nhiệt lượng tỏa ra của điện môi là
Ví dụ 2: Một tụ điện phẳng có hai bản hình tròn bán kính 30 cm, khoảng cách giữa hai bản là 1 cm, ở giữa là không khí. Tụ điện được tích điện bởi hiệu điện thế 200V.
a. Tính điện tích của tụ điện
b. Tụ điện được ngắt ra khỏi nguồn điện và các bản được đưa lại gần nhau để khoảng cách giữa chúng tăng gấp đôi. Tính hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện. Năng lượng của tụ điện đã thay đổi bao nhiêu lần?
Hướng dẫn giải
a) Áp dụng công thức
b) Ngắt tụ khỏi nguồn thì điện tích của tụ không đổi.
Các bản được đưa lại gần nhau để khoảng cách giữa chúng tăng gấp đôi
=> d’= 2.10-2m
=>
Ta được
Lại có => Năng lượng của tụ điện tăng 4 lần