Giải chi tiết Vật lí 11 chân trời mới bài 15: Năng lượng và ứng dụng của tụ điện

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Máy khử rung tim xách tay là thiết bị được các đội y tế thường dùng để cấp cứu bệnh nhân bị rối loạn nhịp tim và tạo nhịp tim ổn định cho bệnh nhân. Khi hoạt động, các điện cực của máy được đặt trên ngực của bệnh nhân để tạo dòng điện đi qua tim bệnh nhân trong thời gian rất ngắn (Hình 15.1), tạo điều kiện cho tim bệnh nhân hoạt động bình thường. Thiết bị này hoạt động dựa vào khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện bên trong thiết bị. Theo em, tụ điện dự trữ được năng lượng dựa trên nguyên tắc nào?

Hướng dẫn trả lời:

Cách thức hoạt động của tụ là lưu trữ năng lượng dưới dạng điện trường, bằng cách lưu trữ các electron. Khi 2 bản tụ được tích điện, chúng sẽ tạo ra sự chênh lệch hiệu điện thế giữa 2 đầu bản cực.

1. NĂNG LƯỢNG TỤ ĐIỆN

Câu hỏi 1: Vận dụng kiến thức đã học và công thức (15.1), em hãy rút ra công thức (15.2).

Hướng dẫn trả lời:

Ta có: $A=\frac{1}{2}QU$
Công tổng cộng để tích điện cho tụ từ trạng thái ban đầu đến khi có điện tích Q là năng lượng được dự trữ trong tụ điện dưới dạng năng lượng điện trường.
Và $Q=CU$ nên thay vào công thức trên ta thu được: $W=\frac{1}{2}QU=\frac{1}{2}CU^{2}=\frac{Q^{2}}{2C}$

Luyện tập: Một tụ điện có điện dung C = 2 pF được tích điện đến điện tích $3,2.10^{-8}$ C. Tính năng lượng của tụ điện. Tụ điện này có thể được dùng để duy trì dòng điện trong mạch hay không? Vì sao?

Hướng dẫn trả lời:

Năng lượng dự trữ bên trong tụ là: $W=\frac{Q^{2}}{2C}=\frac{(3,2.10^{-8})^{2}}{2.2.10^{-12}}=2,56.10^{-4}J$
Vì năng lượng dự trữ trong tụ quá nhỏ nên tụ không thể duy trì được dòng đện trong mạch.

2. ỨNG DỤNG CỦA TỤ ĐIỆN

Câu hỏi 2: Tìm hiểu và trình bày một số ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống.

Hướng dẫn trả lời:

Một số ứng dụng của tụ điện trong thực tế:

• Ứng dụng của tụ điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật điện và điện tử. 
• Ứng dụng trong hệ thống âm thanh xe hơi bởi tụ điện lưu trữ năng lượng cho bộ khuyếch đại được sử dụng. 
• Tụ điện có thể để xây dựng các bộ nhớ kỹ thuật số động cho các máy tính nhị phân sử dụng các ống điện tử
• Trong các chế tạo đặc biệt về vấn đề quân sự, ứng dụng của tụ điện dùng trong các máy phát điện, thí nghiệm vật lý, radar, vũ khí hạt nhân,...
• Ứng dụng của tụ điện trong thực tế lớn nhất là việc áp dụng thành công nguồn cung cấp năng lượng, tích trữ năng lượng
• Và nhiều hơn nữa những tác dụng của tụ điện như xử lý tín hiệu, khởi động động cơ, mạch điều chỉnh,...

BÀI TẬP

Bài 1: Xét một đám mây tích điện –32 C. Xem đám mây và bề mặt Trái Đất như một tụ điện phẳng, biết điện dung của tụ điện này khoảng 9,27 nF. Hãy tính:

a) Hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện.