Hướng dẫn học sinh giải bài tập tụ điện trong một số mạch phức tạp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (595.92 KB, 39 trang )
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VĨNH PHÚC
TRƯỜNG THPT BÌNH XUN
=====***=====
BÁO CÁO KẾT QUẢ
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN
Tên sáng kiến: HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP TỤ ĐIỆN
TRONG MỘT SỐ MẠCH PHỨC TẠP
Tác giả sáng kiến: Trần Thị Hồn
Mã sang kiến: 31.54.02
1
Vĩnh Phúc, Năm 2019
BÁO CÁO KẾT QUẢ
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN
Tên sáng kiến: HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP TỤ ĐIỆN
TRONG MỘT SỐ MẠCH PHỨC TẠP
2
Vĩnh phúc, năm 2019
MỤC LỤC
BÁO CÁO KẾT QUẢ
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG SÁNG KIẾN
1. Lời giới thiệu :
Vào tháng 10 năm 1745, Ewald Georg von Kleist ở Pomerania nước Đức, phát hiện
ra điện tích có thể được lưu trữ bằng cách nối máy phát tĩnh điện cao áp với một
đoạn dây qua một bình thủy tinh chứa nước. Tay của Von Kleist và nước đóng vai
trị là chất dẫn điện, và bình thủy tinh là chất cách điện (mặc dù các chi tiết ở thời
điểm đó được xác nhận là miêu tả chưa đúng). Von Kleist phát hiện thấy khi chạm
3
tay vào dây dẫn thì phát ra một tia lửa điện lớn và sau đó ơng cảm thấy rất đau,
đau hơn cả khi chạm tay vào máy phát tĩnh điện. Sau đó một năm, nhà vật lý người
Hà Lan Pieter van Musschenbroek làm việc tại đại học Leiden, phát minh ra một
bình tích điện tương tự, được đặt tên là bình Leyden.
Sau đó Daniel Gralath là người đầu tiên kết hợp nhiều bình tích điện song song với
nhau thành một quả "pin" để tăng dung lượng lưu trữ. Benjamin Franklin điều tra
chiếc bình Leyden và đi đến kết luận rằng điện tích đã được lưu trữ trên chiếc
bình thủy tinh, khơng phải ở trong nước như những người khác đã giả định. Từ đó,
thuật ngữ "battery" hay tiếng việt gọi là "pin" được thơng qua. Sau đó, nước được
thay bằng các dung dịch hóa điện, bên trong và bên ngồi bình layden được phủ
bằng lá kim loại. Để lại một khoảng trống ở miệng để tránh tia lửa điện giữa các
lá. Bình layden là bình tích điện đầu tiên có điện dung khoảng 1,11 nF (nano Fara).
Từ đó tụ điện được ra đời.
Tụ điện là một linh kiện điện tử khơng thể thiếu được trong các thiết bị điện
điện tử. Tụ điện là một linh kiện điện tử khá là quan trọng trong cuộc sống hằng
ngày. Tụ mica được dùng nhiều trong các mạch dao động, mạch cộng hưởng.
Chúng ta thường bắt gặp chúng trong mạch bóng đèn huỳnh quang, nguồn atx,...Tụ
khơng phân cực được sử dụng trong bếp từ, tụ quạt. Trong quạt điện, động cơ
điện một pha, tụ điện có tác dụng làm lệch từ trường để khởi động quạt, nếu nó
chết quạt sẽ khơng quay. Tụ lọc nhiễu được sử dụng để lọc nhiễu cao tần. Nhiễu
cao tần có thể là xung xuất hiện sau khi sét đánh hoặc do các thiết bị điện khác gây
ra đi theo đường điện lưới vào mạch. Tụ chống sét được mắc song song với
nguồn AC IN và nằm sau cầu chì. Tụ chống sét giúp bảo vệ q áp trong mạch
này.
Trong nhà trường phổ thơng học sinh được học tụ điện ở phần Vật Lí lớp 11,
Cơng nghệ lớp 12, và Vật lí 12. Trong khn khổ lớp 11 Học sinh được học tụ
trong các mạch một chiều. Hơn nữa trong các đề thi các câu hỏi của phần tụ điện
là khơng thể thiếu. Đặc biệt các đề thi học sinh giỏi phần tụ điện thương là các
bài tốn khó. Học sinh phải nắm chắc kiến thức, hiểu rõ hiện tượng mới khơng bị
nhầm.
Để học sinh có những vốn kiến thức chắc chắn về tụ điện, đồng với kinh nghiệm
giảng dạy ơn thi trung học phổ thơng quốc gia, ơn thi học sinh giỏi. Trong q trình
tìm tịi và sưu tầm tài liệu tơi đã đưa ra các dạng giải bài tập phần tụ giúp học sinh
học và làm bài được dễ dàng hơn.
1. Tên sáng kiến:
HƯỚNG DẪN HỌC SINH GIẢI BÀI TẬP TỤ ĐIỆN TRONG MỘT SỐ
MẠCH PHỨC TẠP
4
2. Lĩnh vực áp dụng sáng kiến:
Giảng dạy ôn thi THPT Quốc gia, ôn thi học sinh giỏi phần tụ điện lớp 11
3. Ngày sáng kiến được áp dụng lần đầu hoặc áp dụng thử : 11/2018
5
5. Mơ tả bản chất của sáng kiến:
A. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
I. Định nghĩa : Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau. Mỗi vật dẫn đó gọi
là một bản của tụ điện. Khoảng khơng gian giữa hai bản có thể là chân khơng hay
bị chiếm bởi một chất điện mơi nào đó.
Kí hiệu :
II. Điện dung của tụ điện : đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện.
Trong đó : C là điện dung của tụ điện ; đơn vị : fara ; ký hiệu : F
Q : độ lớn điện tích trên mỗi bản tụ điện (C)
III. Cơng thức tính điện dung của tụ điện phẳng :
Trong đó :
S : là phần diện tích đối diện giữa hai bản tụ (m2)
: hằng số điện mơi của chất điện mơi chiếm đầy giữa hai bản ; d : khoảng cách
giữa hai bản tụ.
IV. Ghép tụ điện khi chưa tích điện cho tụ
Cách ghép
Ghép song song (C1 // C2 //
…//Cn)
Điện tích
Hiệu điện
thế
Điện dung
6
Ghép nối tiếp (C1 nt C2 nt…
nt Cn)
Chú ý
* Ghép song song điện dung bộ
tăng lên
* Nếu các tụ điện giống nhau
thì
Cb = n.C
* Ghép nối tiếp điện dung
bộ giảm .
* Nếu các tụ điện giống
nhau
thì
V. Năng lượng của tụ điện (Năng lượng điện trường )
hoặc hoặc hoặc
Trong đó : V = S.d : thể tích khoảng khơng gian giữa hai bản tụ.
S : là phần diện tích đối diện giữa hai bản (m2)
d : khoảng cách giữa hai bản tụ
B. PHÂN DẠNG BÀI TẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI.
I. DẠNG I: ĐIỆN DUNG, ĐIỆN TÍCH, HIỆU ĐIỆN THẾ.
I.1
. PHƯƠNG PHÁP
Áp dụng các cơng thức:
Lưu ý các trường hợp sau
+ Nếu hai bản tụ ln được mắc vào nguồn có hiệu điện thế U thì Hiệu
điện thế giữa hai bản tụ cũng là U.
+ Nếu sau khi tích điện cho tụ rồi ngắt tụ ra khỏi nguồn thì tụ khơng được
tích điện nên điện tích của tụ khơng đổi.
1.2.
BÀI TẬP VÍ DỤ
Bài 1.1 : Tụ phẳng trong khơng khí có các bản hình trịn bán kính 6cm, khoảng
cách giữa 2 bản tụ là 1cm, nối với hiệu điện thế 300V.
a)
Tính điện tích q của tụ điện.
b) Ngắt điện khỏi nguồn, nhúng chúng vào chất điện mơi có hằng số điệm mơi là
2. Tính điện dung C1, Q1, U1.
Vẫn nối tụ với nguồn, nhúng chúng vào chất điện mơi có hằng số điệm mơi là
2. Tính điện dung C2, Q2, U2.
c)
Bài giải:
Áp dụng cơng thức
Điện tích của tụ là: Q = C.U = 3nC.
Khi ngắt nguồn : tụ điện vẫn ở trạng thái cơ lập nên Q1 = Q = 3nC .
7
Nhưng điện dung vẫn có thể thay đổi do chất điện mơi :
Khi vẫn nối với nguồn : U2 = U = 300V
Bài 1.2 : Tụ phẳng trong khơng khí có điện dung C = 600 pF. Hiệu điện thế giữa
hai bản tụ là 600V. Tính điện tích của tụ.
a) Ngắt tụ ra khỏi nguồn, đưa hai bản tụ ra xa để khoảng cách chúng tăng gắp
đơi. Tính điện dung C1, Q1, U1.
Vẫn nối tụ với nguồn , đưa hai bản tụ ra xa để khoảng cách chúng tăng gắp
đơi. Tính điện dung C2, Q2, U2.
b)
Bài giải:
a)
Ta có
Khi ngắt nguồn : Q1 = Q = 36.104pC.
Khi đưa ra xa :
b)
Khi vẫn nối tụ : U2 = U = 600V, Q2 = 18.104pC
II. DẠNG II: GHÉP TỤ CHƯA ĐƯỢC TÍCH ĐIỆN.
2.1. PHƯƠNG PHÁP
Áp dụng các cơng
Cách ghép
Ghép song song (C1 // C2 //
…//Cn)
Điện tích
Hiệu điện
thế
Điện dung
8
Ghép nối tiếp (C1 nt C2 nt…
nt Cn)
Chú ý
* Ghép song song điện dung bộ
tăng lên
* Nếu các tụ điện giống nhau
thì
Cb = n.C
* Ghép nối tiếp điện dung
bộ giảm .
* Nếu các tụ điện giống
nhau
thì
BÀI TẬP VẬN DỤNG
Bài 2.1 :Cho năm điện dung được mắc theo bộ như hình vẽ, cho . UAB = 10V. Tính
điện dung và hiệu điện thế mội tụ.
2.2.
Bài giải:
Ta có: [(C1//C2) nt C3] // C4 nt C5 :
C12 = C1+C2 = 3µF;
;
C123 // C4 nên U123 = U4 = U1234 = (V)
nên Q4 = C4.U4 = và Q123 = C123.U123 =
C12 nt C3 nên Q3 = Q12 = Q123 = suy ra U12 = Q12/C12 =
Do C1 // C2 nên U1 = U2 = suy ra Q1 = và Q2 =
Bài 2.2 :Cho bộ tụ như hình vẽ Tính điện dung và hiệu điện thế mội tụ.
Bài giải:
Ta có: (C1 nt C2) // (C3 nt C4) : và
nên Cb = C12 + C34 = 4µF.
Do C12 // C34 nên U12 = U34 = U = 20(V); Q12 = C12. U12 = 2.20 = 40 µC
Do C1 nt C2 nên Q1 = Q2 = Q12 = 40µC; U1 = Q1/C1 = (V) ; U2 = (V)
9
Q34 = C34.U34 = 40 µC = Q3 = Q4 nên U3 = Q3/C3 = 10( V) = U4
Bài 2.3: Trong hình bên: C1 = 3 µF, C2 = 6µF,
C3= C4= 4µF, C5 = 8 µF,
U=900V. Tìm hiệu điện thế UAB?
Bài giải: Gọi điểm nối giữa C1 và C3 là M thì:
UAB = UMB – UMA = U3 – U1 .
Mà
⇒ C₁₂₃₄ = C₁₂ +C₃₄ = 4μ F
C₁₂₃₄ nt C₅ ⇒ Q₁₂₃₄ = Q₅ = Q
U₁₂₃₄ + U₅ = U = 900 V
⇒ ⇒ Q = 2,4.10⁻³ = Q₁₂₃₄ = 2,4.10⁻3C.
⇒ U₁₂₃₄ = 600V ⇒ U₁₂ = U₃₄ = 600 V
Ta có U₁₂ = U₁ + U₂ = 600 ⇒
Mà Q₁ = Q₂ ⇒ Q₁ = Q₂ = 1,2.10⁻³ (C) ⇒ U₁ = 400 V
Mặt khác U₃₄ = 600 ⇒ U₃ + U₄ = 600 ⇔
Mà Q₃ = Q₄ ⇒ Q₃ = Q₄ = 1,2.10⁻³ (C) ⇒ U₃ = 300 V
Vậy: UMN = U₃ – U₁ = 300 – 400 = –100V .
Bài 2.4: Cho bộ tụ được mắc như hình vẽ. Trong đó :
C1 = C2 = C3 = 6 F ; C4 = 2 F ; C5 = 4 F ; UAB = 31V
a) Điện dung tương đương của bộ tụ.
b) Điện tích và hiệu điện thế trên từng tụ điện.
Bài giải:
+
a) Ta có ; C123 = C12 C3 = 9µF
.
b) Qb = Cb.Ub = 36µC = Q4 = Q123 = Q5.
U4 = = 18V; U5 = = 9V;
U123 = U – U4 – U5 = 4V = U12 = U3
Q12 = C12.U12 = 12µC = Q1 = Q2 .
Q3 = C3.U3 = 24µC .
Bài 2.5: Một bộ gồm n tụ điện giống nhau được nối tiếp với nhau và tích điện
đến hiệu điện thế U. Khi đó giữa các bản tụ được lắp đầy một chất điện mơi
lỏng có hằng số điện mơi . Sau đó có k tụ điện điện mơi chảy ra ngồi.Hiệu điện
thế trên bộ tụ sẽ bị thay đổi như thế nào nếu sau khi tích điện cho bộ tụ thì các tụ
được tách ra khỏi nguồn điện.
Bài giải:
10
Gọi C là điện dung của mỗi tụ ban đầu khi điện mơi chưa bị chảy ra ngồi, điện
dung của bộ tụ: C1 =
Điện tích của bộ tụ:Q = U
khi có k tụ có điện mơi chảy ra ngồi:
Điện dung tương đương của k tụ:
C’ =
Điện dung của các tụ cịn ngun điện mơi: C” =
Điện dung của bộ tụ mới:
=
C2 =
Dù điện mơi bị chảy ở k tụ nhưng điện tích của bộ tụ vẫn khơng đổi, nên
hiệu điện thế của bộ tụ lúc này:
U2 = =
Vậy hiệu điện thế của bộ tụ tăng thêm một lượng
U = U2 – U1 =
III. DẠNG III: BỘ TỤ ĐƯỢC TẠO BỞI NHIỀU BẢN KIM LOẠI.
3.1. PHƯƠNG PHÁP
Bước 1: Vẽ sơ đồ mạch của tụ.
Qui tắc vẽ:
+ Tụ điện tạo bởi hai vật dẫn và ngăn cách nhau bởi lớp điện mơi.
+ Hai bản nào được nối với nguồn để ở ngồi cùng.
+ Hai bản nào được nối với nhau bằng một dây dẫn thì chúng cùng điện thế
nên có thể chập với nhau.
+ Bản nào tham gia vào hai tụ thì sẽ bị phân chia hoặc rẽ nhánh.
Bước 2: Áp dụng cơng thức của tụ để tính tốn.
Lưu ý: Bản nào mà tham gia vào nhiều tụ thì điện tích trên bản ấy bằng
tổng điện tích trên từng phần cộng lại.
3.2. BÀI TẬP VẬN DỤNG
Bài 3.1: Bốn tấm kim loại phẳng giống nhau như hình vẽ.
Khoảng cách BD= 2AB=2DE. B và D được nối với nguồn
điện U=12V, sau đó ngắt nguồn đi. Tìm hiệu điện thế giữa
B và D nếu sau đó:
a) Nối A với B
b) Khơng nối A với B nhưng lấp đầy khoảng giữa B và D bằng điện mơi
Bài giải:
Ta có bộ tụ mắc như hình vẽ:
Tụ CBA nối tiếp với tụ CED rồi mắc song song với tụ CBD
Do BD = 2AB = 2CE nên
CBA = CED = 2CBD
11
Điện dung của bộ tụ lúc đầu:
C0 = CBD + = 2CBD
Điện tích của bộ tụ lúc đầu Q0 = UC0 = 12.2CBD = 24CBD.
Sau khi ngắt nguồn thì điện tích của bộ tu khơng thay đổi
a. Khi nối A với B thì bộ tụ gồm tụ CED mắc song song với tụ CBD
Khi đó điện dung của bộ tụ Ca = CBD + CDE = 3CBD
Do đó UBDa = = = 8V
b. Khơng nối A với B nhưng lấp đầy khoảng giữa B và D bằng điện mơi .
Khi đó C’BD = εCBD = 3CBD
Vậy điện dung của bộ tụ là: Cb = C’BD + = 3CBD + CBD = 4CBD.
Do đó: UBDb = = = 6 V.
Bài 3.2: Ba tấm kim loại phẳng giống nhau đặt song song với nhau như hình vẽ.
Diện tích của mỗi bản là
S= 100cm2, Khoảng cách giữa hai bản liên tiếp là
d= 0,5cm. Nối A và B với nguồn có U= 100V
a. Tính điện dung của bộ tụ và điện tích của mỗi bản
b. Ngắt A và B ra khỏi nguồn điện. Dịch chuyển bản B theo phương vng
góc với các bản tụ điện một đoạn là x. Tính hiệu điện thế giữa A và B theo x. áp
dụng khi x= d/2
Bài giải:
a. Bộ tụ gồm hai tụ giống nhau mắc song song:
Cb = 2C0 = 2.
Khi điện mơi là khơng khí ε = 1
Cb = 2. = 2= 3,54.1011F
Điện tích của bộ tụ Qb = U.Cb = 31,8C.
Vì hai tụ mắc song song với nhau nên : U = U1 = U2 = 100V.
Mà C1 = C2 nên Qtụ1 = Qtụ 2 = C0. U = 1,77.109C
Điện tích trên bản 1 và 3 là: 1,77.109C.
Điện tích trên bản 2 là: 3,57.109C
b. Khi ngắt A và B ra khỏi nguồn thì điện tíc của bộ tụ khơng thay đổi
Qb = UCb = 2U
Khi đó điện dung của bộ tụ C’ = C1 + C2 với
C1 = và C2 =
Vậy C’ = + = ( +) =
Do đó UAB = = 2U: ( )=
Khi x = > UAB = U = 75V
Bài 3.3: Bốn tấm kim loại phẳng hình trịn đường kính D=12cm đặt song song
cách đều, khoảng cách giữa 2 tấm liên tiếp d= 1mm. Nối 2 tấm A với C, rồi nối B,
D với nguồn U=20V.
12
Tính điện dung của bộ tụ và điện tích của mỗi tấm.
Bài giải:
Mạch điện được vẽ lại:
Mạch có 3 tụ giống nhau. Mỗi tụ có điện dung là:
Ta có: C = = 1010 F
CABC = 2C = 2.1010 F
Cb =
F
Qb = QAD = QABC = U.Cb = 20 . F F
Vì UAB = UBC mà CAB = CBC nên: QAB = QBC = F
F
IV. DẠNG IV: CHO VÀO GIỮA HAI BẢN TỤ MỘT TẤM KIM LOẠI
HOẶC MỘT TẤM ĐIỆN MƠI HOẶC NHÚNG CÁC BẢN TỤ VÀO ĐIỆN
MƠI.
4.1. PHƯƠNG PHÁP
Bước 1: Chia tụ thành các tụ nhỏ theo qui tắc : để có tụ phảo có hai vật dẫn ngăn
cách nhau bởi lớp điện mơi
Bước 2: Vẽ sơ đồ mạch của tụ
Bước 3: Tính điện dung của từng tụ
Áp dụng các cơng thức điện dung tương đương, điện tích, để tính tốn.
4.2. BÀI TẬP VẬN DỤNG
Bài 4.1: Tụ phẳng khơng khí, bản tụ hình trịn bán kính R=48cm cách nhau đoạn
d=4cm. Nối tụ với hiệu điện thế U=100V.
a) Tìm điện dung và điện tích của tụ, cường độ điện trường giữa hai bản tụ.
b) Ngắt tụ khỏi nguồn rồi đưa vào khoảng khơng gian giữa 2 bản một tấm kim
loại chiều dài l = 2cm. Tìm điện dung và hiệu điện thế tụ. Kết quả thế nào
nếu tấm kim loại rất mỏng (l = 0)?
c) Thay tấm kim loại bằng tấm điện mơi chiều dài l = 2cm hằng số điện mơi
7. Tìm điện dung và hiệu điện thế của tụ.
Giải:
a) Điện dung, điện tích, cường độ điện trường:
Điện dung của tụ phẳng trong khơng khí:
Co=
Điện tích của tụ: Q = Co .U = 16.109 C =16nC
13
Độ lớn cường độ điện trường giữa hai bản tụ:
E=
b)Ngắt tụ điện khỏi nguồn rồi đưa vào một tấm kim loại .Gọi khoảng cch
giữa một mặt của tấm kim loại đến bản tụ gần nhất là x.
Mỗi mặt kim loại và một bản tụ tạo thành một tụ điện. Hệ thống tương
đương với hai tụ điện C1 và C2 mắc nối tiếp mà khoảng cách giữa các bản
của mỗi tụ tương ứng là x và (d – l – x).
Ta có: ;
Gọi điện dung tương đương của bộ tụ là C.
Ta có:
Suy ra:
Nên
Do ta đã ngắt tụ khỏi nguồn trước khi đưa tấm kim loại vào nên điện tích
của bộ tụ điện khơng đổi: Q’ = Q = 16.109 C
Hiệu điện thế của tụ:
Nếu tấm kim loại rất mỏng: ; C = Co.
Điện dung và hiệu điện thế của tụ sẽ có gi trị tính được như trong câu a
( Tức là khơng thay đồi gì)
b) Tụ điện có điện mơi:
Thay tấm kim loại bằng tấm điện mơi.
Từ kết quả ở câu b, ta thấy: có thể áp vào hai bên mặt điện mơi hai tấm kim
loại thật mỏng mà điện dung của hệ khơng đổi. Hệ thống tương đương với ba
tụ điện ghép nối tiếp: tụ C1 có điện mơi khơng khí, khoảng cách hai bản tụ là x,
tụ C2 có điện mơi , khoảng cách hai bản tụ là l, tụ C3 có điện mơi khơng khí,
khoảng cách hai bản tụ là: d – l – x .
C1= ; C2 = ; C3 =
Gọi điện dung tương đương của tụ là C.
Ta có: =
= 280 pF.
Hiệu điện thế của tụ: .
Bài 4.2: Một tụ điện phẳng có điện
dung C0. Tìm điện dung của tụ điện khi đưa
vào bên trong tụ một tấm điện mơI có hằng số
điện mơi , có diện tích đối diện bằng một nữa
diện tích một tấm, có chiều dày bằng một
phần ba khoảng cách hai tấm tụ, có bề rộng
bằng bề rộng tấm tụ, trong hai trường hợp
sau:
14
Bài giải: a) Đói với hình (a) sẽ có ba tụ điện
Ba tụ này được mắc theo sơ đồ:
(C1 nt C2) // C3
Tụ điện C1 điện mơi , có diện tích đối
diện là S/2 có khoảng cách giữa 2 tấm
bằng d/3 có điện dung :
C1 =
Tụ điện C2 là tụ khơng khí có diện tích
đối diện S/2, khoảng cách giữa 2 tấm
bằng 2d/3 và có điện dung:
C2 =
Tụ điện C3 là tụ khơng khí có diện tích đối diện là S/2, khoảng cách giữa 2 tấm
bằng d và có điện dung:
C3 =
Từ đó ta tính được C = C0
b) Đối với hinh (b) có 5 tụ được mắc theo sơ đồ: C3// (C2 nt C1 nt C4) // C5
Tụ C3 là tụ khơng khí có diện tích đối diện là S3 , khoảng cách giữa 2 tấm là
d3 = d, điện dung C3=
Tụ C4 là tụ điện khơng khí có diện tích đối diện là S4, khoảng cách giữa 2 tấm là
d4, điện dung C4=
Tụ C1 là tụ điện mơi có diện tích đối diện là S1 và khoảng cách giữa 2 tấm là d1,
điện dung C2 =
Tụ C2 là tụ điện khơng khí có diện tích đối diện là S2, khoảng cách giữa 2 tấm là
d2, điện dung C2=
Tụ C5 là tụ khơng khí có diện tích đối diện là S5, khoảng cách giữa 2 tấm là d, có
điện dung C5 =
Trong đó S1 = S2 =S4. Từ đó ta cũng dễ dàng tính được C = C0
Bài 4.3 : Một tụ điện phẳng đặt trong khơng khí điện dung của nó là C. Khi dìm
một nửa ngập trong điện mơi có hằng số điện mơi là 3, một nửa trong khơng khí
điện dung của tụ là bao nhiêu?
15
a. Tụ điện đặt thẳng đứng
b. Tụ điện đặt nằm ngang
a)
Bài giải:
Khi dìm nửa tụ thẳng đứng trong điện mơi , ta coi 2 phần của tụ điện (phần
trên KK , phần ngập điện mơi) là 2 tụ điện mắc song song và tiết diện bị
giảm đi một nửa
Điện dung của Tụ ban đầu là
Phần tụ bị ngập một nửa trong điện mơi
Phần tụ bị ngập ngồi khơng khí là
điện dung của tụ lúc này là Ctđ = C1 + C2 = 2C
b) Tụ điện đặt nằm ngang
Khi dìm nửa tụ thẳng đứng trong điện mơi , ta coi 2 phần của tụ điện (phần trên
khơng khí , phần dưới ngập điện mơi) là 2 tụ điện mắc nối tiếp với nhau và tiết
diện khơng đổi nhưng khoảng cách bị giảm đi một nửa.
Phần tụ bị ngập một nửa trong điện mơi
Phần tụ bị ngập ngồi khơng khí là
điện dung của tụ lúc này là
Bài 4.4 : Một tụ điện phẳng có hai bản cực hình vng cạnh
a = 30cm, đặt cách nhau một khoảng d = 4mm nhúng chìm hồn tồn trong một
thùng dầu có hằng số điện mơi . (H.9).Hai bản cực được nối với hai cực của một
nguồn điện có suất điện động E = 24V, điện trở trong khơng đáng kể.
a. Tính điện tích của tụ.
b.Bằng một vịi ở đáy thùng dầu, người ta tháo cho dầu chảy ra ngồi và dầu
trong thùng hạ thấp dần đều với vận tốc v = 5mm/s .Tính cường độ dịng điện
chạy trong mạch trong q trình dầu hạ thấp.
c.Nếu ta bỏ nguồn điện trước khi tháo dầu thì điện tích và hiệu điện thế của tụ
thay đổi thế nào?
Bài giải:
1. Điện tích của tụ:
+
+ Q =E.U = 115.1010C
2. Tính I:
+ Gọi x là độ cao của bản tụ ló ra khỏi dầu : x = vt, khi dầu tụt xuống tụ trở thành
2 tụ mắc song song.
16
+ Tụ C1 có điện mơi khơng khí:
+ Tụ C2 có điện mơi là dầu:
+ Điện dung của tụ trong khi tháo dầu:
+ Điện tích của tụ trong khi tháo dầu:
+ Dịng điện:
c. Nếu bỏ bỏ nguồn thì Q và U thay đổi thế nào:
+ Nếu bỏ nguồn: Q khơng thay đổi, vì C thay đổi nên U thay đổi.
+ Khi tháo hết dầu thì : vt=a,
V. DẠNG V: TỤ CĨ CHỨA NGUỒN, TÍNH ĐIỆN LƯỢNG DỊCH CHUYỂN,
SỐ ELECTRON DỊCH CHUYỂN, CHIỀU DỊCH CHUYỂN.
5.1. PHƯƠNG PHÁP
Bước 1: Tính điện tích của các tụ trước khi ghép.
Bước 2: Sau khi ghép giả sử các cực của các tụ.
Bước 3: Áp dụng định luật bảo tồn điện tích
Tại mỗi chỗ nối ( Lưu ý Q lấy theo dấu của các bản cực ).
5.2. BÀI TẬP VÍ DỤ
Bài 5.1: Đem tích điện cho tụ điện C1 = 3F đến hiệu điện thế U1 = 300V, cho tụ
điện C2 = 2F đến hiệu điện thế U2 = 220V rồi:
a) Nối các tấm tích điện cùng dấu với nhau
b) Nối các tấm tích điện khác dâu với nhau
c) Mắc nối tiếp hai tụ điện (hai bản âm được nối với nhau) rồi mắc vào hiệu
điện thế U = 400V.
Tìm điện tích và hiệu điện thế của mỗi tụ trong tong trường hợp trên.
Bài giải:
Điện tích của các tụ trước khi mắc thành mạch điện:
q1 = C1U1 = 900C,
q2 = C2U2 = 400C
a) Khi nối các tấm cùng dấu với nhau (hình a)
Coi các tụ được mắc song song : U1’ = U2’
áp dụng định luật bảo tồn điện tích cho 2 tấm a và c :
q1’ + q2’ = q1 + q2 =130 C1U1’ + C2U’2 = 13
3U1’ + 2U2’ = 1300 U1’ = U2’ = 260V
q1’ = 780C, q2’ = 520C
b) Khi nối các tấm khác dấu với nhau:
17
U1’ = U2’
áp dụng định luật bảo tồn điện tích cho 2 tấm a và d :
q1’ + q2’ = q1 q2 = 500 C1U1’ + C2U’2 = 500
3U1’ + 2U2’ = 500 U1’ = U2’ = 100V
q1’ = 300C, q2’ = 200C
c) Khi mắc nối tiếp các tụ điện
Giả sử điện tích các tấm tụ điện có dấu như hình vẽ
U1’ + U2’ = U = 400V (1)
áp dụng dịnh luật bảo tồn điện tích cho 2 tấm b và d
q1’ + q2’ = q1 q2 = 130
C1U1’ + C2U’2 = 13
3U1’ + 2U2’ = 1300 (2)
Từ (1) và (2) ta được U1’ = 420V ; U2’ = 20V
q1’ = 1260C ; q2’ = 40C
Bài 5.2: Một tụ điện có điện dung C1 chưa biết được tích điện đến hiệu điện thế
80V, sau đó được nối kín với một tụ C2 = 60µF đã được nạp điện với hiệu điện
thế 16V. Tính C1 biết sau khi nối thì hiệu điện thế giữa hai bản của mỗi tụ lá 20V.
Bài giải:
Điện tích của các tụ trước khi nối
Q1 = 80C1; Q2 = C2.U2 = 960µC.
TH1: Nối hai bản cùng dấu với nhau
Tại chỗ nối: Tổng điện tích của các bản trước khi nối
Qtruoc = 80C1 + 960.
Sau khi nối dấu điện tích trên mỗi bản khơng đổi.
Điện tích của các tụ sau khi nối
Q1, = 20C1; Q2, = C2.U2 = 1200µC.
Tại chỗ nối: Tổng điện tích của các bản trước khi nối
QSau = Q1, + Q2, = 20C1 + 1200
Áp dụng định luật bảo tồn điện tích : Qtruoc = QSau .
80C1 + 960 = 20C1 + 1200 ta tính được C1 = 4µF
TH2: Nối bản âm của tụ này với bản dương của tụ kia.
Giả sử nối bản âm của tụ 2 với bản dương của tụ1.
Tại chỗ nối: Tổng điện tích của các bản trước khi nối
Qtruoc = 80C1 960.
Giả sử sau khi nối các bản tại chỗ nối đều tích điện âm.
Điện tích của các tụ sau khi nối
Q1, = 20C1; Q2, = C2.U2 = 1200µC.
Tại chỗ nối: Tổng điện tích của các bản trước khi nối
QSau = Q1, + Q2, = 20C1 + 1200
18
Áp dụng định luật bảo tồn điện tích : Qtruoc = QSau .
80C1 960 = 20C1 + 1200 ta tính được C1 = 36µF >0.
Vậy điều giả sử là đúng.
Bài 5.3: Cho tụ điện AB, điện dung C1 = 3 µF, điện tích q1 = 6.104(C), A mang
điện tích dương. Tụ DE có điện dung C2 = 4µF, điện tích q2 = 4,8.104(C),
D mang điện tích dương. Tính hiệu điện thế của bộ tụ khi:
a.
Nối B và D.
b.
Nối B và E
Bài giải:
Nối B và D.
Nối bản âm của tụ 1 với bản dương của tụ 2
a.
b.
Nối B và E
Nối bản âm của tụ 1 với bản dương của tụ 2
VI. DẠNG VI: TỤ CĨ CHỨA NGUỒN, TÍNH ĐIỆN LƯỢNG DỊCH
CHUYỂN, SỐ ELECTRON DỊCH CHUYỂN, CHIỀU DỊCH CHUYỂN.
6.1. PHƯƠNG PHÁP
Trường hợp 1: Nếu khơng có dịng điện trong mạch
Bước 1: Giả sử các cực của các bản tụ.
Xét các vịng kín (1)
Bước 2: Xét tại điểm nối giữa các tụ.
(2)
Thay Q = C.U vào phương trình 2 sau đó kết hợp với (1) ta tính được các đại
lượng.
Bước 3: Tính điện lượng dịch chuyển qua M. Chỉ xét các bản tụ nối với M ( cùng
một phía nối với M).
+ Tính tổng điện tích của các bản tụ nối với M lúc ban đầu là Qbđ.
+ Tính tổng điện tích của các bản tụ nối với M lúc sau là Qs.
+ Điện lượng dịch chuyển qua M là:
+ Số e dịch chuyển là
Trường hợp 2: Nếu có dịng điện trong mạch
Bước 1: Tính cường độ dịng điện chạy trong mạch.
19
Lưu ý: Nhánh nào chứa tụ thì xóa nhánh đó đi vì tụ ngăn khơng cho dịng điện 1
chiều đi qua.
Bước 2: Xét các vịng kín . Để tính hiệu điện thế của các tụ .
Áp dụng cơng thức Q = C.U để tính điện tích của tụ.
Bước 3: Tính điện lượng dịch chuyển qua M.
+ Tính tổng điện tích của các bản tụ nối với M lúc ban đầu là Qbđ.
+ Tính tổng điện tích của các bản tụ nối với M lúc sau là Qs.
+ Điện lượng dịch chuyển qua M là:
+ Số e dịch chuyển là
6.2. BÀI TẬP VẬN DỤNG
Bài 6.1 : Cho mạch như hình vẽ.
Biết C1=2µF, C2=10µF,
C3=5µF; U1=18V, U2=10V.
Tính điện tích và HĐT trên mỗi tụ?
Bài giải:
Khơng có dịng điện trong mạch
Giả sử các cực của tụ như hình vẽ.
Ta có
UAM + UMN + UNA = 0 UC1 + UC3 – U1 = 0
Thay số UC1 + UC3 – 18 = 0 (1)
UBM + UMN + UNB = 0 U2 + UC3 – U2 = 0
Thay số UC2 + UC3 – 10 = 0 (2)
Tại điểm M ta có : Q1 – Q2 + Q3= 0 C1.UC1 – C2UC2+C3UC3 = 0 .
Thay số 2.UC1 – 10UC2+5UC3 = 0 (3).
Kết hợp (1), (2), (3) ta tính được: U1 = 10V ; U2 = 2V ; U3 = 3V.
Q1 = 20µC; Q2 = 20µC; Q3 = 15µC.
Bài 6.3 :.Cho mach như hình vẽ. Biết U1=12V, U2=24V;
C1=1 F, C2=3 F. Lúc đầu khố K mở.
a) Tính điện tích và HĐT trên mỗi tụ?
b) Khố K đóng lại. Tính điện lượng qua khố K
a)
Bài giải:
K mở. Giả sử các cực của tụ như hình vẽ.
Tại M ta có Q1 Q2 = 0 Vậy C1.UC1 = C2UC2
20
Thay số ta được UC1 = 3UC2 (1).
UBM + UMA = UBN + UNA = 24 12 = 12
Hay UC1 + UC2 = 12 (2)
Từ (1) và (2) ta tính được UC1 = 9V; UC2 = 3V.
Q1 = 9 C; Q2 = 9 C.
Các kết quả ra đều dương vậy điều giả sử là đúng.
Tổng điện tích của các bản tụ nối với K lúc ban đầu là
Qbđ. = Q1 Q2 = 0
b) K đóng M và N có cùng điện thế nên chập chúng
Làm 1 điểm.
UC1 = UAN = U1 = 12V nên Q1 = 12 C
UC2 = UBN = U2 = 24V nên Q2 = 72 C
Tổng điện tích của các bản tụ nối với K lúc K đóng là
Qs = Q1 Q2 = 84 C.
_ Điện lượng dịch chuyển qua K là:
.
Bài 6.3 : Cho mạch như hình vẽ: Biết C1=1 F,
C2=3 F, C3=4 F, C4=2 F; U=24V.
a)Tính điện tích các tụ khi K mở?
b)Tìm điện lượng qua khố K khi K đóng.
Bài giải:
a) K mở
Ta có: (C1 nt C2) // (C3 nt C4) : và
nên Cb = C12 + C34 = .
Do C12 // C34 nên U12 = U34 = U = 24(V); Q12 = C12. U12 = 18 C
Do C1 nt C2 nên Q1 = Q2 = Q12 = 18 C
Q34 = C34.U34 = 32 C = Q3 = Q4
Tổng điện tích của các bản nối với M sau khi K đóng là
bđ
1
2
Q = Q + Q = 0 µC
b) đóng
M và N chung điện thế nên chập chúng với nhau.
Ta có (C1//C3)nt(C2//C4).
C13 = C1+ C3 = 5 F; C24 = C2+ C4 = 5 F
Vậy
.
b
b
13
24.
Do đó Q = C .U= 60µC = Q = Q
21
13
1
3
13
13
U = U = U = Q /C = 12V.
1
1
1
3
3
3
4
4
4
Ta suy ra Q = C . U = 12µC; Q = C . U = 48µC.
24
13
2
4
U = U U = U = U =12V.
2
2
2
Ta suy ra Q = C . U = 36µC; Q = C . U = 24µC.
Tổng điện tích của các bản nối với M sau khi K đóng là
s
1
2
Q = Q + Q = 36 µC.
Điện lượng qua khố K khi K đóng là
Bài 6.4 : Cho mạch điện như hình vẽ : U = 60V (khơng đổi),C1 = 20µF, C2 = 10µF.
1. Ban đầu các tụ điện chưa tích điện. Khóa K ở vị trí b, chuyển sang a rồi lại về
b. Tính điện lượng qua R.
2. Sau đó chuyển K sang a rồi lại về b. Tính điện lượng qua R trong lần chuyển
thứ 2.
3. Tính tổng điện lượng qua R sau n lần chuyển khóa như trên
Bài giải:
Lần 1, khi K ở chốt a tụ C1 tích điện Q1 = C1U.
Khi chuyển K từ chốt a sang chốt b lần 1 điện tích trên các tụ điện là:
Điện lượng dịch chuyển qua điện trở R là:
b) Khi chuyển K từ chốt a sang chốt b lần 2 ta có:
Điện lượng dịch chuyển qua R lần 2 là:
c) Sau khi chuyển K sang chốt b lần 3 ta được:
Điện lượng dịch chuyển qua R lần 3 là:
Sau khi chuyển K sang chốt b lần thứ n ta được:
Điện lượng dịch chuyển qua R lần n là:
22
Vậy tổng điện lượng qua R sau n lần K chuyển sang chốt b là:
Bài 6.5: Cho mạch tụ như hình vẽ. UAB = 2V (khơng đổi).
C1=C2=C4=6μF, C3=4μF. Tính điện tích các tụ và
điện lượng di chuyển qua điện kế G khi đóng khố K.
Bài giải:
Khi K mở
Mạch tụ: C1 nt[(C2ntC3) //C4]
C234 = C23 + C4 = 8,4 F
q1 = q = UC = 7 C
U234 = U – U1 =
q4 = U234C4 = 5 C; q2 = q3 = q1 – q4 = 2 C
Khi K đóng như hình vẽ.
Mạch tụ: [C1// C2) nt C4] //C3.
C12 = C1+C2 = 12 F
C’ = C124 + C3 = 8 F
q’3 = UC3 = 8 C
q’4 = q’ – q’3 = UC’ – q’3 = 16 C – 8 C = 8 C
q’1 = q’2 = q’4/2 = 4 C
Khi K mở điện tích tại M qM = q2 + q3 = 0
Khi K đóng điện tích tại M q’M = q’2 + q’3 = 4 + 8 = 12 C
Lượng điện tích chuyển qua khóa điện kế G khi đóng khóa K là
q = q’M – qM = 8 C. Điện tích dương chuyển từ A qua G đến M
Bài 6.6: Cho mạch điện như hình vẽ: E = 6V, r = R3 = 0,5, R1= 3, R2 = 2, C1 = C2 =
0,2 F, độ lớn điện tích electron e = 1,6.1019C. Bỏ qua điện trở các dây nối.
a) Tìm số electron dịch chuyển qua khóa K và chiều dịch chuyển của chúng khi
khóa K từ mở chuyển sang đóng?
b) Thay khóa K bằng tụ C3 = 0,4 F.
Tìm điện tích trên tụ C3 trong các trường hợp sau:
Thay tụ C3 khi K đang mở.
Thay tụ C3 khi K đang đóng
Bài giải:
a)+ Cường độ dịng điện trong mạch chính khi K đóng hay K mở là:
23
+ Khi K mở : C1 nối tiếp với C2 nên điện tích của hệ các bản tụ nối với M: qM = 0
Dấu điện tích của các bản tụ như hình vẽ.
+ Khi K đóng: dấu điện tích trên các bản tụ như hình
+ Các electron di chuyển từ ; +Số hạt (hạt)
b) Thay tụ C3 khi K mở, K đóng:
Gọi điện tích của các tụ lúc này là:
và có dấu như hình vẽ
Ta có: + (1)
+ (2)
+ (3)
Từ (1), (2), (3) ta được:
(4)
Khi K mở, thay tụ C3 thì :
Do đó
Khi K đóng, thay tụ C3 thì:
Do đó UMB = 0 (V) Vậy
Bài 6.7: Cho mạch điện như hình vẽ: C = 2 F; R1 = 18Ω;
R2 = 20Ω; nguồn điện có suất điện động E = 2V và điện trở trong khơng đáng kể.
Ban đầu các khóa K1 và K2 đều mở. Bỏ qua điện trở các khóa và dây nối.
24
a. Đóng khóa K1 (K2 vẫn mở), tính năng lượng của tụ điện và nhiệt lượng tỏa ra
trên R1 đến khi điện tích trên tụ điện đã ổn định.
b. Với R3 = 30 . Khóa K1 vẫn đóng, đóng tiếp K2, tính điện lượng chuyển qua
điểm M đến khi dịng điện trong mạch đã ổn định.
c. Khi K1, K2 đang đóng và mạch đang ở trạng thái ổn định, người ta ngắt K 1 để
tụ điện phóng điện qua R2 và R3. Tìm R3 để điện lượng chuyển qua R3 đạt giá trị
cực đại và tính giá trị cực đại đó.
Bài giải:
a. Sau khi đóng K1
Điện tích trên tụ điện q = C. E = 2.2 = 4 C = 4.106C
Năng lượng điện trường trong tụ điện W =
Trong thời gian tích điện cho tụ, nguồn thực hiện cơng
Ang = q. E = 4.106.2 = 8.106 J
Nhiệt lượng tỏa ra trên R1 Q1 = Ang – W = 4.106 J
b. Sau khi đóng K2
Cường độ dịng điện qua mạch = A
UMN = I. = 0,8 V
Điện tích của tụ điện khi đó q’ = CUMN = 2.0,8 = 1,6 C
Điện lượng chuyển qua điểm M q = q’ – q = 2,4 C
Dấu trừ cho biết điện tích dương trên bản nối với M giảm, các e chạy vào bản tụ
đó.
c. Khi K1 và K2 đóng
R23 = R = R1 + R23 =
UMN = E =
Điện tích của tụ điện khi đó q’ = CUMN = ( C)
Khi ngắt K1, điện lượng qua R2 và R3 lần lượt là q2 và q3 thì
q2 + q3 = q’ và q3 = =
q3max khi 19R3 = R3 = ≈ 13,76
Khi đó q3max ≈ 0,7386 C
BÀI 6.8: Cho mạch điện như hình vẽ. Nguồn điện có suất điện động E = 12V,
điện trở trong r = 5 , điện trở
R1 = R = 10 , R2 = 2R, các tụ điện có điện dung
25
