Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 14: Tụ điện

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Màn hình cảm ứng (Hình 14.1) được sử dụng ngày càng phổ biến. Trong đó, màn hình cảm ứng điện dung (sử dụng tụ điện) hoạt động dựa vào khả năng nhường hoặc nhận điện tích của cơ thể con người khi có sự tiếp xúc với các thiết bị điện. Vậy, tụ điện là thiết bị có những đặc tính gì?

Hưởng dẫn trả lời:

Tụ điện là một hệ gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp điện môi.
Tụ điện có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng năng lượng điện trường bằng cách lưu trữ các electron, nó cũng có thể phóng ra các điện tích này để tạo thành dòng điện. Đây chính là tính chất phóng nạp của tụ, nhờ có tính chất này mà tụ có khả năng dẫn điện xoay chiều.

1. ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG

Câu hỏi 1: Liệt kê một số vật liệu có tính cách điện trong đời sống.

Hướng dẫn trả lời:

Một số vật liệu cách điện: thủy tinh, nhựa, cao su, sứ, ...

2. TỤ ĐIỆN

Câu hỏi 2: Dựa vào cấu tạo của tụ điện ở Hình 14.4, hãy cho biết tụ điện có cho dòng điện một chiều đi qua không.

Hướng dẫn trả lời:

Tụ điện là một hệ gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau một lớp cách điện, do đó tụ điện không cho dòng điện một chiều đi qua.

Luyện tập: Xét một tụ điện được tích điện. Khi thay đổi điện dung của tụ, hiệu điện thế và điện tích của tụ có thay đổi không trong các trường hợp sau?

a) Tụ vẫn còn được mắc vào nguồn điện một chiều.
b) Tụ đã được tháo ra khỏi nguồn điện trước khi thay đổi điện dung.

Hướng dẫn trả lời:

a) Hiệu điện thế U giữa hai bản tụ không thay đổi vì hiệu điện thế đó bằng hiệu điện thế của nguồn điện một chiều mà tụ mắc vào. Điện tích Q = CU thay đổi vì điện dung C thay đổi mà U lại không thay đổi.

b) Vì tụ đã tháo khỏi nguồn nên điện tích Q của tụ không đổi. Bên cạnh đó, vì C thay đổi nên hiệu điện thế giữa hai bản tụ là $U=\frac{Q}{C}$ cũng thay đổi.

Vận dụng: Dựa vào sách, báo, internet, em hãy trình bày ngắn gọn vai trò của tụ điện trong màn hình cảm ứng điện dung của thiết bị điện thoại.

Hướng dẫn trả lời:

Màn hình cảm ứng điện dung sử dụng một tấm kính được phủ ion kim loại giúp cho ánh sáng đi qua nhiều hơn đến 90%. Nhờ đó mà hình ảnh hiển thị rõ ràng hơn. Lớp ion kim loại trên bề mặt kính sẽ tạo ra mạng lưới các tụ điện trên màn hình. Các tụ điện này sẽ bị mất điện tích khi tay người hay các vật có điện chạm vào, nhờ đó hệ thống chứa màn hình sẽ xác định được sự thay đổi này diễn ra ở đâu và tiến hành cách thao tác theo ý người sử dụng. Nhờ vậy, màn hình cảm ứng dạng này có thể được điều khiển bởi những "cái chạm" rất nhẹ từ ngón tay, tuy nhiên thường thì bạn không thể sử dụng được với đồ cứng hay đeo găng tay.

Màn hình cảm ứng điện dung có độ chính xác và tin cậy cao nên được dùng rộng rãi trong loại điện thoại và máy tính bảng hiện nay. Cảm ứng điện dung là không cần lực tác động lên lớp cảm ứng nên rất nhạy và cảm nhận được nhiều điểm cùng tại một thời điểm.

3. GHÉP TỤ ĐIỆN

Câu hỏi 3: Xét hai tụ điện có cùng điện dung lần lượt được mắc nối tiếp và song song để tạo ra hai bộ tu điền khác nhau. Hãy so sánh điện dung của hai bộ tụ điện trên với điện dung của mỗi tụ điện thành phần.

Hướng dẫn trả lời:

Điện dung của bộ tụ điện ghép nối tiếp: $\frac{1}{C_{b}}=\frac{1}{C_{1}}+\frac{1}{C_{2}}$
$\Rightarrow$Điện dung của bộ tụ ghép nối tiếp nhỏ hơn điện dung thành phần.
Điện dung của bộ tụ ghép song song: $C_{b}=C_{1}+C_{2}$
$\Rightarrow$Điện dung của bộ tụ ghép song song bằng tổng điện dung thành phần.

Luyện tập: Xét mạch điện như Hình 14.9. Biết hiệu điện thế giữa hai điểm A, B bằng 6V và điện dung của hai tụ điện lần lượt là $C_{1} = 2\mu F$ và $C_{2} = 4\mu F$. Xác định hiệu điện thế và điện tích trên mỗi tụ điện. Giả sử ban đầu các tụ chưa tích điện.

Hướng dẫn trả lời:

Ta có: $C_{1} nt C_{2}$
Điện dung của bộ tụ là: $\frac{1}{C_{b}}=\frac{1}{C_{1}}+\frac{1}{C_{2}}=\frac{1}{2}+\frac{1}{4}\Rightarrow C_{b}=\frac{4}{3}\mu F$
Điện tích của bộ tụ và các tụ điện thành phần là: $Q=Q_{1}=Q_{2}=CU=6.\frac{4}{3}.10^{-6}=8.10^{-6} C$
Hiệu điện thế ở tụ điện $C_{1}$ là: $U_{1}=\frac{Q}{C_{1}}=\frac{8.10^{-6}}{2.10^{-6}}=4 V$
Hiệu điện thế ở tụ điện $C_{2}$ là: $U_{2}=\frac{Q}{C_{2}}=\frac{8.10^{-6}}{4.10^{-6}}=2 V$

Vận dụng: Quan sát Hình 14.10 và cho biết:

a) giá trị điện dung của tụ điện.
b) ý nghĩa các thông số trên tụ điện.

Hướng dẫn trả lời:

a) giá trị điện dung của tụ điện là: 4700$\mu F$

b) ý nghĩa các thông số trên tụ điện: 50 V: hiệu điện thế giới hạn của tụ. Đây là hiệu điện thế tối đa mà tụ có thể chịu được. Nếu vượt quá giá trị này tụ sẽ bị hỏng.
4700$\mu F$: giá trị điện dung của tụ

BÀI TẬP

Bài 1: Xét tụ điện như Hình 14.10.

a) Tính điện tích cực đại mà tụ có thể tích được.
b) Muốn tích cho tụ điện một điện tích là $4,8.10^{-4}$ C thì cần phải đặt giữa hai bản tụ một hiệu điện thế là bao nhiêu?

Hướng dẫn trả lời:

a) Điện tích cực đại mà tụ có thể tích được là: $Q=C.U=4700.10^{-6}.50=0,235 C$
b) Hiệu điện thế cần phải đặt giữa hai cực của bản tụ là: $U_{1}=\frac{Q_{1}}{C}=\frac{4,8.10^{-4}}{4700.10^{-6}}=0,102 V$

Bài 2: Hai tụ điện có điện dung lần lượt là C₁ =0,5 $\mu F$ và C₂ =0,7 $\mu F$ được ghép song song rồi mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế U < 60 V thì một trong hai tụ có điện tích 35 $\mu C$. Tính hiệu điện thế U của nguồn và điện tích của tụ còn lại.

Hướng dẫn trả lời:

Bộ tụ ghép song song nên ta có: $C_{b}= C_{1}+C_{2}=0,5+0,7=1,2 \mu F$
$U=U_{1}=U_{2}<60V$
Nếu tụ C₁ có điện tích 35 $\mu C$ thì hiệu điện thế của tụ điện 1 là $U_{1}=\frac{Q_{1}}{C_{1}}=\frac{35.10^{-6}}{0,5.10^{-6}}=70V > 60V \Rightarrow$ không thỏa mãn điều kiện đề bài
Nếu tụ C₂ có điện tích 35 $\mu C$ thì hiệu điện thế của tụ điện 2 là $U_{2}=\frac{Q_{2}}{C_{2}}=\frac{35.10^{-6}}{0,7.10^{-6}}=50V < 60V \Rightarrow$ thỏa mãn điều kiện đề bài
$\Rightarrow$ tụ điện C₂ có điện tích $Q_{2}= 35 \mu C$ và hiệu điện thế $U_{2}=50 V$
Hiệu điện thế của nguồn và của tụ C₁ là: $U=U_{1}=U_{2}=50 V$
Điện tích của tụ C₁ là: $Q_{1}=C_{1}.U_{1}=0,5.50=25\mu F$
Điện tích của nguồn là: $Q=Q_{1}+Q_{2}=25+35=60\mu F$

Bài 3: Cho các tụ điện C₁ = C₂ = C₃ = C₄ =3,3 $\mu F$ được mắc thành mạch như Hình 14P.1. Xác định điện dung tương đương của bộ tụ.

Hướng dẫn trả lời:

Ta có: $(C_{1} // C_{3})nt(C_{2} // C_{4})$
Điện dung tương đương của C₁₃ là: $\frac{1}{C_{13}}=\frac{1}{C_{1}}+\frac{1}{C_{3}}=\frac{1}{3,3}+\frac{1}{3,3}\Rightarrow C_{13}=1,65 \mu F$
Điện dung tương đương của C₂₄ là: $C_{24}=1,65 \mu F$
Điện dung tương đương của bộ tụ là $C_{b}=C_{13}+C_{24}=1,65+1,65=3.3 \mu F$