Giải chi tiết Vật lí 11 cánh diều mới bài 3: Điện thế, hiệu điện thế, tụ điện

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Để dịch chuyển một điện tích dương đến gần điện tích dương khác, cần phải đẩy nó để thắng lực đẩy giữa chúng, Hình 3.1. Trong trường hợp này, ta nói rằng cần phải thực hiện một công để di chuyển một điện tích lại gần một điện tích khác. Năng lượng của một điện tích di chuyển trong iện trường được xác định như thế nào?

Hướng dẫn trả lời:

Năng lượng cần để di chuyển một điện tích từ vị trí ban đầu đến vị trí mới phụ thuộc vào lượng điện tích di chuyển và hiệu điện thế giữa hai vị trí này. Trong trường hợp này, nếu ta phải vượt qua lực đẩy giữa hai điện tích để di chuyển điện tích dương đến gần điện tích dương khác, thì hiệu điện thế giữa hai vị trí này sẽ tăng lên, dẫn đến năng lượng cần để di chuyển một điện tích cũng tăng lên.

I. THẾ NĂNG CỦA ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆN TRƯỜNG

1. Công của lực điện trường

2. Thế năng

Câu hỏi 1: Vì sao đường biểu diễn sự thay đổi thế năng điện trong điện trường đều ở Hình 3.2 là một đường thắng?

Hướng dẫn trả lời:

Vì thế năng tỉ lệ thuận với khoảng cách theo công thức WM = A = qEd.

Câu hỏi 2: Vì sao thế năng của điện tích tăng theo chiều ngược với chiều của cường độ điện trường?

Hướng dẫn trả lời:

Thế năng của điện tích tăng theo chiều ngược với chiều của cường độ điện trường vì:

- Mốc tính thế năng ở bản âm.

- Khi đưa một điện tích dương đến gần bản dương, công mà ta thực hiện đã chuyển thành thế năng điện của điện tích và làm tăng thế năng của nó trong điện trường.

- Khi điện tích di chuyển đến gần bản dương thì thế năng tăng theo chiều ngược với chiều của cường độ điện trường.

Câu hỏi 3: So sánh công của lực điện dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ điểm đang xét ra vô cùng và công thực hiện để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô cùng về điểm đang xét.

Hướng dẫn trả lời:

Công của lực điện dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ điểm đang xét ra vô cùng có độ lớn bằng với công thực hiện để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô cùng về điểm đang xét nhưng trái dấu.

II. ĐIỆN THẾ VÀ HIỆU ĐIỆN THẾ

1. Điện thế

Câu hỏi 4: Điện thế tại một điểm trong điện trường là gì?

Hướng dẫn trả lời:

Điện thế tại một điểm trong điện trường là đại lượng đặc trưng cho điện trường tại điểm đó về thế năng của điện tích q trong điện trường đó.

2. Hiệu điện thế

Luyện tập 1: Cho hai bản cực song song, cách nhau 25 cm như hình 3.3. Hiệu điện thế giữa hai bản là 2 kV.
a) Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là bao nhiêu?
b) Cường độ điện trường tại C và tại D là bao nhiêu?
c) Tìm lực điện tác dụng. lên một điện tích +5 μC đặt tại C.

Hướng dẫn trả lời:

a) Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là 2kV.

b) Cường độ điện trường giữa hai bản tụ cũng chính là cường độ điện trường tại mọi điểm phía trong bản tụ (vì đây là điện trường đều).

$E=\frac{U}{d}=\frac{2000}{0,25}=8000 V/m$

c) Lực điện tác dụng lên điện tích đặt tại C

$F=qE=5.10^{-6}.8000=0,04 N$

3. Liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế

III. TỤ ĐIỆN 

Câu hỏi 5: Vì sao tụ điện có năng lượng?

Hướng dẫn trả lời:

Khi tụ điện chưa được tích điện thì điện tích của tụ bằng không, hiệu điện thế của tụ điện cũng bằng không.

Khi tụ được tích điện, nguồn điện thực hiện công đưa các điện tích đến các bản tụ điện. Tức là phải thực hiện công để đẩy electron lên bản này và kéo chúng ra khỏi bản kia. Theo định luật bảo toàn năng lượng, công này bằng năng lượng của tụ điện.

Luyện tập 2: Một tụ điện có điện dung 2 000 μF được tích điện đến hiệu điện thế 10 V. Tính năng lượng của tụ điện.

Hướng dẫn trả lời:

Năng lượng của tụ điện là: $W=\frac{CU^{2}}{2}=\frac{2000.10^{-6}.10^{2}}{2}=0,1 J$

Vận dụng: Cho các dụng cụ sau: Một tụ điện có điện dung 100 μF và hiệu điện thế định mức khoảng 12 V; 4 pin 1,5 V; Một LED; Một điện trở 5Ω; công tắc, dây dẫn điện. Nêu phương án dùng các dụng cụ này chứng minh tụ điện có lưu trữ năng lượng.

Hướng dẫn trả lời:

Để chứng minh tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng, ta có thể sử dụng các dụng cụ trong danh sách như sau:

1. Kết nối một đầu của tụ điện với một điện trở có giá trị 5 Ω, đầu kia của điện trở kết nối với đất.
2. Kết nối đầu còn lại của tụ điện với một đầu của LED, đầu kia của LED kết nối với đất.
3. Nối các đầu của bốn viên pin 1.5V với nhau theo kiểu nối tiếp để tạo ra một nguồn điện có điện áp định mức khoảng 6V.
4. Kết nối một đầu của công tắc với một đầu của nguồn điện 6V, đầu còn lại của công tắc kết nối với đất.
5. Nối đầu còn lại của nguồn điện 6V với đầu còn lại của LED.

Bây giờ, khi ta bật công tắc, nguồn điện sẽ cung cấp điện áp đến tụ điện. Ban đầu, tụ điện sẽ không có điện tích, nên điện áp trên tụ điện sẽ bằng 0. Tuy nhiên, khi nguồn điện cung cấp dòng điện vào tụ điện, tụ điện sẽ bắt đầu tích tụ điện tích, và điện áp trên tụ điện sẽ tăng lên theo thời gian. Điện áp trên tụ điện sẽ tiếp tục tăng lên cho đến khi nó đạt đến giới hạn của nguồn điện.

Khi điện áp trên tụ điện đạt đến giới hạn của nguồn điện, nó sẽ ngăn cản dòng điện tiếp tục chảy vào tụ điện. Lúc này, tụ điện sẽ lưu trữ năng lượng trong một khoảng thời gian dài, và LED sẽ sáng lên do điện trường trong mạch.