Giải SBT Vật lí 11 Kết nối mới bài 21: Tụ điện

21.1. Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện là:

A. điện dung C.

B. điện tích Q.

C. khoảng cách d giữa hai bản tụ.

D. cường độ điện trường.

Trả lời:

Đáp án đúng: A

Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện là điện dung C.

Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện khi đặt một hiệu điện thế U vào hai bản tụ điện. Nó được tính bằng tỉ số giữa điện tích Q của tụ điện và hiệu điện thế U đặt vào hai bản tụ điện. 

$C=\frac{Q}{U}$

21.2. Khi trong phòng thí nghiệm chỉ có một số tụ điện giống nhau với cùng điện dung C, muốn thiết kế một bộ tụ điện có điện dung nhỏ hơn C thì:

A. chắc chắn phải ghép song song các tụ điện.

B. chắc chắn phải ghép nối tiếp các tụ điện. 

C. chắc chắn phải kết hợp cả ghép song song và nối tiếp.

D. không thể thiết kế được bộ tụ điện như vậy.

Trả lời:

Đáp án đúng: B

Khi trong phòng thí nghiệm chỉ có một số tụ điện giống nhau với cùng điện dung C, muốn thiết kế một bộ tụ điện có điện dung nhỏ hơn C thì chắc chắn phải ghép nối tiếp các tụ điện. 

Vì sau khi ghép nối tiếp các tụ điện thì điện dung của bộ tụ được xác định theo công thức:

$\frac{1}{C}=\frac{1}{C_{1}}+\frac{1}{C_{2}}+…+\frac{1}{C_{n}}$

21.3. Hai tụ điện có điện dung lần lượt $C_{1} = 1\mu F, C_{2} = 3\mu F$ ghép nối tiếp. Mắc bộ tụ điện đó vào hai cực của nguồn điện có hiệu điện thế U = 40V. Điện tích của các tụ điện là:

A. $Q_{1} = 40.10^{- 6} C$ và $Q_{2} = 120.10^{- 6} C$

B. $Q_{1} = Q_{2} = 30.10^{- 6} C$

C. $Q_{1} = 7, 5.10^{- 6} C$ và $Q_{2} = 22, 5.10^{- 6}$ C 

D. $Q_{1} = Q_{2} = 160.10^{- 6} C$

Trả lời:

Đáp án đúng: B

Điện dung của tụ điện là:

$C=\frac{C_{1}.C_{2}}{C_{1}+C_{2}}=\frac{1.3}{1+3}=0,75 (\mu F)$.

Điện tích của các tụ điện là:

$Q=CU=0,75.10^{-6}.40=30^{-6} (C)$

21.4. Một tụ điện khởi động cho động cơ có các thông số như Hình 21.1. Đơn vị VAC (hoặc V.ac) là điện áp ứng với dòng điện xoay chiều, còn VDC (hay V.dc) là điện áp ứng với dòng điện một chiều cùng được đọc là vôn. Thông số điện áp 370 VAC được hiểu là

A. điện áp tối thiểu khi mắc tụ điện vào.

B. điện áp mà tụ điện hoạt động tốt nhất.

C. điện áp xoay chiều hiệu dụng cao nhất để đảm bảo cho tụ hoạt động tốt. Đây không phải là thông số điện áp một chiều.

D. điện áp mà khi mắc tụ điện vào thì điện dung bằng 15 μF.

Trả lời:

Đáp án đúng: C

Thông số điện áp 370 VAC được hiểu là điện áp xoay chiều hiệu dụng cao nhất để đảm bảo cho tụ hoạt động tốt. Đây không phải là thông số điện áp một chiều.

21.5. Quạt treo tường nhà bạn Nam bị hỏng chiếc tụ điện như Hình 21.2 và cần được thay thế. Hãy cho biết bạn Nam có thể chọn được tụ điện loại nào trong các loại dưới đây mà cửa hàng đồ điện có bán.

Trả lời:

Đáp án đúng: D

Vì tụ điện ở hình D có cùng điện dung với tụ điện quạt treo tường là $C=2,5\mu F$ và cũng dùng dòng điện xoay chiều.

21.6. Ở Bài 21.5, khi bạn Nam ra tới cửa hàng đồ điện để mua tụ điện thay thế cho tụ điện quạt trong Hình 21.2 thì cửa hàng đã bán hết loại tụ điện mà Nam dự định mua. Biết rằng giá bán các tụ loại A, B, C, D là bằng nhau, hãy giúp bạn Nam lựa chọn phương án thay thế với chi phí hợp lí nhất.

Trả lời:

Mua hai tụ điện loại C và ghép song song để dùng vì:

Khi ghép hai tụ điện loại C lại tụ điện dung của bộ tụ là: $C=1,25+1,25=2,5 \mu F$

Điện áp xoay chiều hiệu dụng cao nhất để đảm bảo cho bộ tụ hoạt động tốt cũng lớn hơn so với điện áp của tụ điện quạt trong Hình 21.2.

21.7. Chọn mua hai chiếc tụ điện loại A và một chiếc tụ điện loại B trong Bài 21.5 về ghép thành bộ như Hình 21.3.

a) Tính điện dung của bộ tụ điện.

b) Sử dụng bộ tụ điện trong Hình 21.3 có thể thay thế cho tụ điện quạt bị hỏng trong Hình 21.2 không? Giải thích lí do.

Trả lời:

a) $C_{A}=1,5\mu F, C_{B}=3\mu F$

Áp dụng công thức ghép tụ điện nối tiếp và song song để giải bài toán.

Ở đoạn mạch phía dưới Hình 21.3 có tụ $C_{A}$ ghép nối tiếp tụ $C_{B}$ nên:

$C_{AB}=\frac{C_{A}C_{B}}{C_{A} + C_{B}}=\frac{1,5.3}{1,5+3}= 1 µF$

Xét cả bộ tụ ta có mạch dưới và mạch trên mắc song song nên điện dung $C_{b}$ của bộ tụ điện là 

$C_{b} = C_{A} + C_{AB} = 1+1,5=2,5 μF$

b) Tuy điện dung của bộ tụ điện trong Hình 21.3 phù hợp với điện dung của tụ điện dùng cho quạt điện trong Hình 21.2 nhưng lại không thể thay thế cho tụ điện này được vì điện áp tối đa của tụ A chỉ là 150 V kéo theo bộ tụ điện cũng chỉ sử dụng được ở điện áp tối đa 150 V, nhỏ hơn điện áp thực tế mà chiếc quạt điện sử dụng là 220 V.

21.8. Tính điện tích tối đa mà bộ tụ điện Hình 21.3 có thể tích được trong ngưỡng điện áp theo thông số điện áp ghi trên tụ điện.

Trả lời:

Điện tích tối đa mà bộ tụ điện Hình 21.3 có thể tích được trong ngưỡng an toàn là: 

$Q = CU = 2,5.10^{-6}.150 = 375.10^{-6} C.$

21.9. Có hai chiếc tụ điện giống nhau như Hình 21.4. Tụ điện thứ nhất được tích điện với hiệu điện thế U = 48 V rồi bỏ ra khỏi nguồn. Sau đó ghép song song tụ điện thứ nhất với tụ thứ hai chưa được tích điện. 

a) Khi bỏ qua các sai số, hãy xác định hiệu điện thể đo được giữa hai cực của bộ tụ điện.

b) Thay hai tụ điện trong Hình 21.4 bằng hai tụ điện khác nhưng thông số kĩ thuật vẫn giống nhau. Sử dụng nguồn tích điện có hiệu điện thế phù hợp để tích điện cho một tụ rồi lặp lại thí nghiệm như trên. Hiệu điện thế đo được của bộ tụ điện ghép song song sẽ phụ thuộc vào thông số nào? 

c) Có thể làm thí nghiệm kiểm tra được không?

Trả lời:

a) Hai tụ điện được ghép song song với nhau mà tụ thứ 2 không có điện tích nên hiệu điện thế có thể đo được giữa hai cực của bộ tụ là U = 24 V. 

b) Hiệu điện thế đo được chỉ phụ thuộc vào hiệu điện thể tích điện lúc đầu của tụ điện thứ nhất và luôn bằng một nửa của hiệu điện thế này. 

c) HS có thể tiến hành thí nghiệm kiểm tra.

21.10. Tích điện cho tụ điện như trong Hình 21.5 bằng nguồn điện một chiều để có hiệu điện thế U = 100 V. Giả sử sai số 5% là chính xác.

a) Thực tế, điện tích mà tụ này tích được sẽ có giá trị trong khoảng nào?

b) Xác định sai số tương đối của điện tích mà tụ tích được.

Trả lời:

a) Điện tích mà tụ này tích được là: $Q=CU=4,5.10^{-6}.100=450.10^{-6}$ (C)

Do điện dung của tụ có sai số 5% nên ta có:

$427,5.10^{-6} C ≤ Q ≤ 472,5.10^{-6} C$

b) Do C có sai số 5% nên Q = C.U cũng có sai số 5%. Ta có thể viết: 

$Q = 450.10^{-6}\pm 5$% C

21.11. Năng lượng của điện trường trong một tụ điện đã tích được điện tích q không phụ thuộc vào

A. điện tích mà tụ điện tích được.

B. hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện.

C. thời gian đã thực hiện để tích điện cho tụ điện. 

D. điện dung của tụ điện.

Trả lời:

Đáp án đúng: C

Năng lượng của điện trường trong một tụ điện đã tích được điện tích q không phụ thuộc vào thời gian đã thực hiện để tích điện cho tụ điện.

Năng lượng của tụ điện khi được tích điện với điện tích Q:

$W=\frac{QU}{2}=\frac{Q^{2}}{2C}=\frac{CU^{2}}{2}$

21.12. Năng lượng của tụ điện bằng

A. công để tích điện cho tụ điện.

B. điện thế của các điện tích trên các bản tụ điện.

C. tổng điện thế của các bản tụ điện.

D. khả năng tích điện của tụ điện.

Trả lời:

Đáp án đúng: A

Năng lượng của tụ điện bằng công để tích điện cho tụ điện.

21.13. Một tụ điện có điện tích bằng Q và ngắt khỏi nguồn, nếu tăng khoảng cách giữa hai bản tụ điện thì

A. năng lượng của tụ điện giảm.

B. năng lượng của tụ điện tăng lên do ta đã cung cấp một công làm tăng thế năng của các điện tích.

C. năng lượng của tụ điện không thay đổi.

D. năng lượng của tụ điện tăng lên rồi mới giảm.

Trả lời:

Đáp án đúng: C

Một tụ điện có điện tích bằng Q và ngắt khỏi nguồn, nếu tăng khoảng cách giữa hai bản tụ điện thì năng lượng của tụ điện không thay đổi. 

21.14. Có bốn chiếc tụ điện như Hình 21.6, hãy sắp xếp theo thứ tự tăng dần về năng lượng khi chúng được tích điện tới mức tối đa cho phép.

A. b, d, a, c.

B. b, c, d, a.

C. c, a, b, d.

D. c, b, a, d.

Trả lời:

Đáp án đúng: C

Năng lượng của tụ điện khi được tích điện với điện tích Q: $W=\frac{CU^{2}}{2}$

Năng lượng của tụ điện trong từng trường hợp là:

a) $W=\frac{CU^{2}}{2}=\frac{2,5.10^{-6}.250^{2}}{2}=0,078 (J)$

b) $W=\frac{CU^{2}}{2}=\frac{1,25.10^{-6}.450^{2}}{2}=0,127 (J)$

c) $W=\frac{CU^{2}}{2}=\frac{1,5.10^{-6}.150^{2}}{2}=0,017 (J)$

d) $W=\frac{CU^{2}}{2}=\frac{2.10^{-6}.400^{2}}{2}=0,16 (J)$

$\Rightarrow c<a<b<c$

21.15. Công dụng nào sau đây của một thiết bị không liên quan tới tụ điện?

A. Tích trữ năng lượng và cung cấp năng lượng.

B. Lưu trữ điện tích.

C. Lọc dòng điện một chiều.

D. Cung cấp nhiệt năng ở bàn là, máy sấy,...

Trả lời:

Đáp án đúng: D

Công dụng của một thiết bị liên quan tới tụ điện: tích trữ năng lượng và cung cấp năng lượng, lưu trữ điện tích, lọc dòng điện một chiều (tụ điện chỉ cho dòng điện xoay chiều đi qua), …

21.16. Khi sử dụng một tụ điện loại b và một tụ điện loại c trong Hình 21.6 để ghép thành bộ tụ điện. Hãy so sánh năng lượng bộ tụ điện ghép song song và bộ tu điện ghép nối tiếp khi chúng được tích điện đến mức tối đa cho phép.

A. Năng lượng của bộ tụ điện ghép song song lớn hơn của bộ tụ điện ghép nối tiếp.

B. Hai cách ghép đều cho kết quả như nhau.

C. Năng lượng của bộ tụ điện ghép song song nhỏ hơn của bộ tụ điện ghép nối tiếp.

D. Cả ba phương án A, B, C đều có thể xảy ra.

Trả lời:

Đáp án đúng: C

Hai tụ điện ghép nối tiếp có điện dung là: 

$C_{nt}=\frac{C_{b}C_{c}}{C_{b}+C_{c}}=0,682.10^{-6} (F)$

Hai tụ điện ghép song song có điện dung là: 

$C_{//}=C_{b}+C_{c}=2,75.10^{-6} (F)$

Năng lượng của tụ điện khi được tích điện với điện tích Q: $W=\frac{Q^{2}}{2C}$

$\Rightarrow$ Năng lượng của bộ tụ điện ghép song song nhỏ hơn của bộ tụ điện ghép nối tiếp. (vì $C_{//}>C_{nt}$)

21.17. Hai tụ điện a và b (Hình 21.7) đã được tích điện lần lượt tới hiệu điện thế $U_{a} = 100 V$ và $U_{b} = 120 V$. Sau đó đem ghép nối hai tụ điện bằng cách nối hai dây dương (màu đỏ) với nhau và nối hai dây âm (màu trắng) với nhau. 

a) Hãy vẽ sơ đồ mạch điện ghép nối.

b) Xác định năng lượng của mỗi tụ điện trước và sau khi ghép nối.

Trả lời:

a) Vẽ mạch điện như hình:

b) Năng lượng tụ điện a và b trước khi ghép nối là:

$W_{a/tr}=\frac{C_{a}U^{2}_{a}}{2}=\frac{2.10^{-6}.100^{2}}{2}=0,01$ (J)

$W_{b/tr}=\frac{C_{b}U^{2}_{b}}{2}=\frac{1,5.10^{-6}.120^{2}}{2}=0,0108$ (J)

Sau khi ghép nối ta có $Q_{sau} = Q_{a} + Q_{b}$

$U_{sau}=\frac{Q_{sau}}{C_{sau}}=\frac{C_{a}U_{a}+C_{b}U_{b}}{C_{a}+C_{b}}=\frac{760}{7}$ (V)

Năng lượng các tụ điện sau khi ghép nối là:

$W_{a/sau}=\frac{C_{a}U^{2}_{sau}}{2}=\frac{2.10^{-6}.(\frac{760}{7})^{2}}{2}=0,01179$ (J)

$W_{b/sau}=\frac{C_{b}U^{2}_{sau}}{2}=\frac{1,5.10^{-6}.(\frac{760}{7})^{2}}{2}=0,00884$ (J)

21.18. Tính năng lượng được giải phóng (hay công phóng điện) khi ta ghép nối hai tụ điện trong Bài 21.17 theo cách nối dây dương của tụ điện này với dây âm của tụ điện kia.

Trả lời:

Khi ta ghép nối hai tụ điện trong Bài 21.17 theo cách nối dây dương của tụ điện này với dây âm của tụ điện kia thì điện tích của bộ tụ điện sau khi ghép nối bằng: 

$Q_{sau} =|Q_{2}-Q_{1}| = 20.10^{-6}$ C

Hiệu điện thế của bộ tụ điện sau khi ghép bằng: 

$U_{sau}=\frac{Q_{sau}}{C_{sau}}=\frac{C_{a}U_{a}-C_{b}U_{b}}{C_{a}+C_{b}}=\frac{40}{7}$ (V)

Năng lượng trên bộ tụ điện sau khi ghép nối bằng: 

$W_{sau}=\frac{C_{sau}U^{2}_{sau}}{2}=0,000057$ (J) 

Năng lượng đã giải phóng trong quá trình ghép nối là 

$A= (W_{a/tr}+W_{b/tr}) – W_{sau} = 0,020743$ (J)

21.19. Sử dụng bốn tụ a, b, c, d trong Hình 21.6 để ghép nối thành mạch như Hình 21.8. Nếu hiểu thông số điện áp ghi trên tụ điện là điện áp tối đa được mắc vào tụ điện để hoạt động tốt.

a) Hãy xác định hiệu điện thế tối đa có thể mắc vào mạch trên mà không làm hỏng các tụ điện trong mạch.

b) Tính năng lượng tối đa cho phép mà bộ tụ điện trên có thể tích trữ được.

Trả lời:

a) Ca = 2,5 μF; Ua = 250V

Cb = 1,25 μF; Ub = 450V

Cc = 1,5 μF; Uc = 150V

Cd = 2 μF; Ud = 400V

$C_{ab}=\frac{C_{a}C_{b}}{C_{a}+C_{b}}=\frac{2,5.1,25}{2,5+1,25}=\frac{5}{6}=0,833$ (μF)

$C_{cd}=\frac{C_{c}C_{b}}{C_{c}+C_{d}}=\frac{1,5.2}{1,5+2}=\frac{6}{7}=0,857$ (μF)

$C_{B}=C_{ab}+C_{cd}=\frac{5}{6}+\frac{6}{7}=\frac{71}{42}=1,69$ (μF)

$U_{B}=U_{ab}=U_{cd}$

$U_{ab}=U_{a}+U_{b}; U_{cd}=U_{c}+U_{d}$

$Q_{B}=Q_{ab}+Q_{cd}\Leftrightarrow C_{B}U_{B}=C_{ab}U_{ab}+C_{cd}U_{cd}$

$\Leftrightarrow U_{max}=262,5$ (V)

b) Năng lượng tối đa cho phép bộ tụ điện có thể tích được là: 

$W=\frac{C_{B}U_{max}^{2}}{2}=\frac{1,69.10^{-6}.262,5^{2}}{2}=0,058$ (J)

21.20. Hình 21.9 bị xoá tên đại lượng trên trục tung. Ba đồ thị mô tả sự biến thiên của ba đại lượng: năng lượng, điện dung, điện tích, khi hiệu điện thế U thay đổi từ 0 đến 40 V. Hãy xác định tên trên trục tung của các đồ thị đó và giải thích.

Trả lời:

Điện dung của tụ điện là đại lượng không đổi và không phụ thuộc hiệu điện thế U nên đồ thị song song với trục hoành. Vì vậy trục tung của Hình 21.9a là điện dung C. 

Điện tích của tụ điện là hàm bậc nhất do tỉ lệ với hiệu điện thế giữa hai đầu bản tụ điện theo công thức Q = CU có đồ thị là đường thẳng. Vì vậy trục tung của Hình 21.9b điện tích Q.

Năng lượng của tụ điện là hàm bậc hai của hiệu điện thế giữa hai bản tụ theo công thức $W=\frac{CU^{2}}{2}$ có đồ thị là đường cong parabol. Vì vậy trục tung của Hình 21.9c là năng lượng W.

21.21. Hãy tìm hiểu, sưu tầm thông tin, hình ảnh một số tụ điện rồi lựa chọn và sử dụng thông tin để hoàn thành báo cáo tìm hiểu một số ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống.

Trả lời:

Hoàn thành báo cáo theo gợi ý như sau:

Báo cáo tìm hiểu một số ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

Tên học sinh:…

Lớp:…

I. Thống kê phân loại tụ điện đã được sưu tập được

II. Kết luận về ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

Tụ điện có vai trò quan trọng trong nhiều thiết bị điện phục vụ cuộc sống như quạt điện, động cơ, máy bơm, máy hàn,... với công dụng chính là tích trữ năng lượng và giải phóng năng lượng. Trong một số trường hợp đơn giản, chúng ta có thể tự thay thế khi thiết bị hỏng tụ điện.

Ngày . . . tháng . . . năm . . . 

Học sinh kí tên