Bài 6: Tụ điện
1. Tụ điện
1.1. Tụ điện là gì?
-
Định nghĩa : Hệ 2 vật dẫn đặt gần nhau, mỗi vật là 1 bản tụ. Khoảng không gian giữa 2 bản là chân không hay điện môi. Tụ điện dùng để tích và phóng điện trong mạch điện.
-
Tụ điện phẳng có 2 bản tụ là 2 tấm kim loại phẳng có kích thước lớn ,đặt đối diện nhau, song song với nhau.
-
Kí hiệu của tụ điện trên sơ đồ mạch điện:
.PNG)
1.2. Cách tích điện cho tụ điện
-
Nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện.
-
Độ lớn điện tích trên mỗi bản của tụ điện khi điện tích điện gọi là điện tích của tụ điện.
-
Khi tích điện cho tụ điện, tụ điện nhiễm điện do hưởng ứng, điện tích hai bản bao giờ cũng có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu. Ta gọi điện tích của bản dương là điện tích của tụ điện.
.PNG)
2. Điện dung của tụ điện
2.1. Định nghĩa
-
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.
-
Nó được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó.
\(C = \frac{Q}{U}\)
-
Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng:
\(C = \frac{{\varepsilon .S}}{{{{9.10}^9}.4\pi .d}}\)
Với S là phần diện tích đối diện giữa 2 bản.
2.2. Đơn vị điện dung
-
Đơn vị điện dung là fara, kí hiệu F.
-
Thường dùng các ước số của fara:
\(\begin{array}{l}
1mF = {1.10^{ - 6}}F;\\
1nF = {1.10^{ - 9}}F;\\
1pF = {1.10^{ - 12}}F
\end{array}\)
2.3. Các loại tụ điện
-
Thường lấy tên của lớp điện môi để đặt tên cho tụ điện.
-
Các loại tụ điện: Tụ không khí, tụ giấy, tụ mica, tụ sứ, tụ gốm,...Tụ có điện dung thay đổi được gọi là tụ xoay.
-
Ghi chú : Với mỗi một tụ điện có 1 hiệu điện thế giới hạn nhất định, nếu 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.
-
Ví dụ: Trên vỏ mỗi tụ điện thường có ghi cặp số liệu, chẳng hạn như 10 mF ~ 250 V. Số liệu thứ nhất cho biết điện dung của tụ điện. Số liệu thứ hai chỉ giá trị giới hạn của hiệu điện thế đặt vào hai cực của tụ. Vượt quá giới hạn đó tụ có thể hỏng.
.PNG)
2.4. Năng lượng của điện trường trong tụ điện
-
Khi tụ điện được tích điện thì giữa hai bản tụ có điện trường và trong tụ điện sẽ dự trữ một năng lượng. Gọi là năng lượng điện trường trong tụ điện.
-
Công thức: \(W = \frac{{Q.U}}{2} = \frac{{C.{U^2}}}{2} = \frac{{{Q^2}}}{{2C}}\)
-
Mọi điện trường đều mang năng lượng.
Bài 1:
Tụ phẳng trong không khí có các bản hình tròn bán kính 6cm, khoảng cách giữa 2 bản tụ là 1cm, nối với hiệu điện thế 300V. Tính điện tích q của tụ điện.
Hướng dẫn giải:
Ta có:
\(\begin{array}{*{20}{l}}
\begin{array}{l}
C = \frac{{\varepsilon S}}{{4\pi kd}}\\
\Rightarrow C = \frac{{\pi {{.36.10}^{ - 2}}}}{{4\pi {{9.10}^9}{{.10}^{ - 2}}}}\\
= {10^{ - 11}}F = 0,01nF
\end{array}\\
{ \Rightarrow Q = 0,01.300 = 3nC}
\end{array}\)
Bài 2:
Tích điện cho một tụ điện có điện dung \(20 \mu F\) dưới hiệu điện thế 60 V. Sau đó tháo tụ điện ra khỏi nguồn.
a) Tính điện tích q của tụ.
b) Tính công mà điện trường trong tụ điện sinh ra khi phóng điện tích \(\Delta q = 0,001q\) từ bản dương sang bản âm.
c) Xét lúc điện tích của tụ điện chỉ còn . Tính công mà điện trường trong tụ điện sinh ra khi phóng điện tích \(\Delta q\) như trên từ bản dương sang bản âm lúc đó.
Hướng dẫn giải:
-
Ta có:
Câu a:
Điện tích của q: \(q =C.u = 12.10^{-4} C\) .
Câu b:
Vì lượng điện tích rất nhỏ, nên điện tích và đo đó cả hiệu điện thế giữa hai bản tụ coi như không thay đổi. Công của lực điện sinh ra sẽ là:
\(A = \Delta q.U = 72.10^{-6} J\).
Câu c:
Điện tích của tụ giảm một nửa thì hiệu điện thế giữa hai đầu bản tụ cũng giảm một nửa.
⇒ \(A' = \Delta q.U' = 36.10^{-6} J.\)
1. Tụ điện
1.1. Tụ điện là gì?
-
Định nghĩa : Hệ 2 vật dẫn đặt gần nhau, mỗi vật là 1 bản tụ. Khoảng không gian giữa 2 bản là chân không hay điện môi. Tụ điện dùng để tích và phóng điện trong mạch điện.
-
Tụ điện phẳng có 2 bản tụ là 2 tấm kim loại phẳng có kích thước lớn ,đặt đối diện nhau, song song với nhau.
-
Kí hiệu của tụ điện trên sơ đồ mạch điện:
1.2. Cách tích điện cho tụ điện
-
Nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện.
-
Độ lớn điện tích trên mỗi bản của tụ điện khi điện tích điện gọi là điện tích của tụ điện.
-
Khi tích điện cho tụ điện, tụ điện nhiễm điện do hưởng ứng, điện tích hai bản bao giờ cũng có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu. Ta gọi điện tích của bản dương là điện tích của tụ điện.
2. Điện dung của tụ điện
2.1. Định nghĩa
-
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.
-
Nó được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó.
\(C = \frac{Q}{U}\)
-
Công thức tính điện dung của tụ điện phẳng:
\(C = \frac{{\varepsilon .S}}{{{{9.10}^9}.4\pi .d}}\)
Với S là phần diện tích đối diện giữa 2 bản.
2.2. Đơn vị điện dung
-
Đơn vị điện dung là fara, kí hiệu F.
-
Thường dùng các ước số của fara:
\(\begin{array}{l}
1mF = {1.10^{ - 6}}F;\\
1nF = {1.10^{ - 9}}F;\\
1pF = {1.10^{ - 12}}F
\end{array}\)
2.3. Các loại tụ điện
-
Thường lấy tên của lớp điện môi để đặt tên cho tụ điện.
-
Các loại tụ điện: Tụ không khí, tụ giấy, tụ mica, tụ sứ, tụ gốm,...Tụ có điện dung thay đổi được gọi là tụ xoay.
-
Ghi chú : Với mỗi một tụ điện có 1 hiệu điện thế giới hạn nhất định, nếu 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.
-
Ví dụ: Trên vỏ mỗi tụ điện thường có ghi cặp số liệu, chẳng hạn như 10 mF ~ 250 V. Số liệu thứ nhất cho biết điện dung của tụ điện. Số liệu thứ hai chỉ giá trị giới hạn của hiệu điện thế đặt vào hai cực của tụ. Vượt quá giới hạn đó tụ có thể hỏng.
2.4. Năng lượng của điện trường trong tụ điện
-
Khi tụ điện được tích điện thì giữa hai bản tụ có điện trường và trong tụ điện sẽ dự trữ một năng lượng. Gọi là năng lượng điện trường trong tụ điện.
-
Công thức: \(W = \frac{{Q.U}}{2} = \frac{{C.{U^2}}}{2} = \frac{{{Q^2}}}{{2C}}\)
-
Mọi điện trường đều mang năng lượng.
Bài 1:
Tụ phẳng trong không khí có các bản hình tròn bán kính 6cm, khoảng cách giữa 2 bản tụ là 1cm, nối với hiệu điện thế 300V. Tính điện tích q của tụ điện.
Hướng dẫn giải:
Ta có:
\(\begin{array}{*{20}{l}}
\begin{array}{l}
C = \frac{{\varepsilon S}}{{4\pi kd}}\\
\Rightarrow C = \frac{{\pi {{.36.10}^{ - 2}}}}{{4\pi {{9.10}^9}{{.10}^{ - 2}}}}\\
= {10^{ - 11}}F = 0,01nF
\end{array}\\
{ \Rightarrow Q = 0,01.300 = 3nC}
\end{array}\)
Bài 2:
Tích điện cho một tụ điện có điện dung \(20 \mu F\) dưới hiệu điện thế 60 V. Sau đó tháo tụ điện ra khỏi nguồn.
a) Tính điện tích q của tụ.
b) Tính công mà điện trường trong tụ điện sinh ra khi phóng điện tích \(\Delta q = 0,001q\) từ bản dương sang bản âm.
c) Xét lúc điện tích của tụ điện chỉ còn . Tính công mà điện trường trong tụ điện sinh ra khi phóng điện tích \(\Delta q\) như trên từ bản dương sang bản âm lúc đó.
Hướng dẫn giải:
-
Ta có:
Câu a:
Điện tích của q: \(q =C.u = 12.10^{-4} C\) .
Câu b:
Vì lượng điện tích rất nhỏ, nên điện tích và đo đó cả hiệu điện thế giữa hai bản tụ coi như không thay đổi. Công của lực điện sinh ra sẽ là:
\(A = \Delta q.U = 72.10^{-6} J\).
Câu c:
Điện tích của tụ giảm một nửa thì hiệu điện thế giữa hai đầu bản tụ cũng giảm một nửa.
⇒ \(A' = \Delta q.U' = 36.10^{-6} J.\)