Các dạng bài tập Tụ điện chọn lọc có đáp án chi tiết - Vật Lí lớp 11

---

Các dạng bài tập Tụ điện chọn lọc có đáp án chi tiết

Với Các dạng bài tập Tụ điện chọn lọc có đáp án chi tiết Vật Lí lớp 11 tổng hợp các dạng bài tập, 50 bài tập trắc nghiệm có lời giải chi tiết với đầy đủ phương pháp giải, ví dụ minh họa sẽ giúp học sinh ôn tập, biết cách làm dạng bài tập Tụ điện từ đó đạt điểm cao trong bài thi môn Vật Lí lớp 11.

• Cách giải bài tập về Tụ điện Xem chi tiết
• Dạng 1: Cách tính điện dung, năng lượng của tụ điện Xem chi tiết
• Trắc nghiệm tính điện dung, năng lượng của tụ điện Xem chi tiết
• Dạng 2: Tụ điện phẳng Xem chi tiết
• Trắc nghiệm về tụ điện phẳng Xem chi tiết
• Dạng 3: Ghép tụ điện nối tiếp, song song Xem chi tiết
• Trắc nghiệm Ghép tụ điện nối tiếp, song song Xem chi tiết

Bài tập trắc nghiệm

• 100 câu trắc nghiệm Điện tích, Điện trường có lời giải chi tiết (cơ bản) Xem chi tiết
• 100 câu trắc nghiệm Điện tích, Điện trường có lời giải chi tiết (nâng cao) Xem chi tiết

Tụ điện là gì ? Cách giải bài tập về Tụ điện

A. Tóm tắt lý thuyết

1. Tụ điện:

• Định nghĩa: Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện. Mỗi vật dẫn đó gọi là một bản của tụ điện.

• Tụ điện dùng để chứa điện tích.

• Tụ điện phẵng gồm hai bản kim loại phẳng đặt song song với nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp điện môi.

• Kí hiệu tụ điện

• Cách tích điện cho tụ: Nối hai bản của tụ điện với hai cực của nguồn điện.

Độ lớn điện tích trên mỗi bản của tụ điện khi đã tích điện gọi là điện tích của tụ điện.

2. Điện dung của tụ:

• Định nghĩa: Điện dung của tụ điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định. Nó được xác định bằng thương số của điện tích của tụ điện và hiệu điện thế giữa hai bản của nó.

• Đơn vị: Fara (F)

1μF = 10^-6F

1nF = 10^-9F

1pF = 10^-12F

• Các loại tụ điện: tụ không khí, tụ giấy, tụ sứ…

• Tụ có điện dung thay đổi gọi là tụ xoay.

• Trên vỏ tụ thường ghi 1 cặp số.

VD: 10μF - 250V: trong đó 10μF là điện dung của tụ

250V là giá trị giới hạn của hiệu điện thế có thể đặt vào tụ. Quá giới hạn đó, tụ có thể bị hỏng.

• Năng lượng của điện trường trong tụ:

B. Kỹ năng giải bài tập

- Áp dụng công thức của tụ điện:

- Công thức tính năng lượng của tụ:

C. Bài tập trắc nghiệm

Câu 1: Tụ điện là

A. hệ thống gồm hai vật đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp dẫn điện.

B. hệ thống gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện.

C. hệ thống gồm hai vật dẫn đặt tiếp xúc với nhau và được bao bọc bằng điện môi.

D. hệ thống hai vật dẫn đặt cách nhau một khoảng đủ xa.

Hướng dẫn:

Chọn B.

Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện.

Câu 2: Để tích điện cho tụ điện, ta phải:

A. mắc vào hai đầu tụ một hiệu điện thế.

B. cọ xát các bản tụ với nhau.

C. đặt tụ gần vật nhiễm điện.

D. đặt tụ gần nguồn điện.

Hướng dẫn:

Chọn A.

Để tích điện cho tụ điện, ta phải mắc vào hai đầu tụ một hiệu điện thế.

Câu 3: Trong các nhận xét về tụ điện dưới đây, nhận xét nào không đúng?

A. Điện dung đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ.

B. Điện dung của tụ càng lớn thì tích được điện lượng càng lớn.

C. Điện dung của tụ có đơn vị là Fara (F).

D. Hiệu điện thế càng lớn thì điện dung của tụ càng lớn.

Hướng dẫn:

Chọn D.

Điện dung của tụ không phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai bản.

Câu 4: Nếu hiệu điện thế giữa hai bản tụ tăng 2 lần thì điện dung của tụ

A. tăng 2 lần.                 B. giảm 2 lần.

C. tăng 4 lần.                 D. không đổi.

Hướng dẫn:

Chọn D.

Điện dung của tụ điện không phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai bản tụ nên nếu hiệu điện thế giữa hai bản tụ tăng 2 lần thì điện dung của tụ không đổi.

Câu 5: Trong các công thức sau, công thức không phải để tính năng lượng điện trường trong tụ điện là

A. W = Q²/(2C).                 B. W = QU/2.

C. W = CU²/2.                 D. W = C²/(2Q).

Hướng dẫn:

Công thức tính năng lượng của tụ:

Câu 6: Một tụ có điện dung 2 μF. Khi đặt một hiệu điện thế 4 V vào 2 bản của tụ điện thì tụ tích được một điện lượng là

A. 2.10^-6 C.                 B. 16.10^-6 C.

C. 4.10^-6 C.                 D. 8.10^-6 C.

Hướng dẫn:

Chọn D.

Điện tích Q = CU = 2.10^-6.4 = 8.10^-6C

Câu 7: Đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế 10 V thì tụ tích được một điện lượng 20.10^-9 C. Điện dung của tụ là

A. 2 μF.                 B. 2 mF.

C. 2 F.                D. 2 nF.

Hướng dẫn:

Điện dung

Câu 8: Để tụ tích một điện lượng 10 nC thì đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế 2V. Để tụ đó tích được điện lượng 2,5 nC thì phải đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế

A. 500 mV.                 B. 0,05 V.

C. 5V.                 D. 20 V.

Hướng dẫn:

Chọn A.

Hiệu điện thế:

⇒ U₂ = 0,5(V) = 500mV

Câu 9: Hai đầu tụ 20 μF có hiệu điện thế 5V thì năng lượng tụ tích được là

A. 0,25 mJ.                 B. 500 J.

C. 50 mJ.                 D. 50 μJ.

Hướng dẫn:

Chọn A.

Năng lượng của tụ:

Câu 10: Hai tụ điện chứa cùng một lượng điện tích thì

A. chúng phải có cùng điện dung.

B. hiệu điện thế giữa hai bản của tụ điện phải bằng nhau.

C. tụ điện nào có điện dung lớn hơn, sẽ có hiệu điện thế giữa hai bản lớn hơn.

D. tụ điện nào có điện dung lớn hơn, sẽ có hiệu điện thế giữa hai bản nhỏ hơn.

Hướng dẫn:

Chọn D.

Hiệu điện thế giữa hai bản tụ điện U = Q/C

⇒ Q như nhau thì tụ nào có C lớn hơn thì U nhỏ hơn.

Câu 11: Năng lượng điện trường trong tụ điện.

A. tỉ lệ với hiệu điện thế giữa hai bản tụ.

B. tỉ lệ với điện tích trên tụ.

C. tỉ lệ với bình phương hiệu điện thế giữa hai bản tụ.

D. tỉ lệ với hiệu điện thế giữa hai bản tụ và điện tích trên tụ.

Hướng dẫn:

Chọn C.

Năng lượng của điện trường trong tụ:

⇒ Năng lượng điện trường trong tụ điện tỉ lệ với bình phương hiệu điện thế giữa hai bản tụ.

Câu 12: Một tụ điện được tích điện bằng một hiệu điện thế 10 V thì năng lượng của tụ là 10 mJ. Nếu muốn năng lượng của tụ là 22,5 mJ thì hai bản tụ phải có hiệu điện thế là

A. 15 V.                 B. 7,5 V.

C. 20 V.                 D. 40 V.

Hướng dẫn:

Chọn A.

Năng lượng của điện trường trong tụ:

Cách tính điện dung, năng lượng của tụ điện

A. Phương pháp & Ví dụ

Vận dụng công thức:

- Điện dung của tụ điện:

- Năng lượng của tụ điện:

Ví dụ 1: Đặt vào hai đầu tụ điện một hiệu điện thế 10V thì tụ tích được một điện lượng là 20.10^-9 C. Điện dung của tụ là:

Hướng dẫn:

Ta có:

Ví dụ 2: Để tụ tích một điện lượng 10 nC thì đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế là 2V. Để tụ đó tích được một điện lượng là 2,5 nC thì phải đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế:

Hướng dẫn:

Ta có điện dung của tụ là

Để tụ đó tích được một điện lượng là 2,5 nC thì phải đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế:

Ví dụ 3: Một tụ điện được tích điện bằng một hiệu điện thế là 10V thì năng lượng của tụ là 10mJ. Nếu muốn năng lượng của tụ là 22,5mJ thì phải đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế:

Hướng dẫn:

Điện dung của tụ là

Nếu muốn W = 22,5.10^-3 J thì

Ví dụ 4: Một tụ điện có điện dung C₁ = 0,2 μF khoảng cách giữa hai bản là d₁ = 5 cm được nạp điện đến hiệu điện thế U = 100 V.

a) Tính năng lượng của tụ điện.

b) Ngắt tụ ra khỏi nguồn điện. Tính độ biến thiên năng lượng của tụ khi dịch 2 bản lại gần còn cách nhau d₂ = 1 cm.

Hướng dẫn:

a) Năng lượng của tụ điện:

b) Điện dung của tụ điện:

    + Điện dung của tụ điện lúc sau:

    + Điện tích của tụ lúc đầu: Q₁ = C₁U₁ = 0,2.10^-6.100 = 2.10^-5 C

    + Vì ngắt tụ ra khỏi nguồn nên điện tích không đổi, do đó: Q₂ = Q₁

    + Năng lượng lúc sau:

    + Độ biến thiên năng lượng: ΔW = W₂ – W₁ = -8.10^-4 J < 0 ⇒ năng lượng giảm

Ví dụ 5: Tụ phẳng không khí d = 1,5cm nối với nguồn U = 39kV (không đổi).

a) Tụ có hư không nếu biết điện trường giới hạn của không khí là 30kV/cm?

b) Sau đó đặt tấm thủy tinh có ε = 7, l = 0,3cm và điện trường giới hạn 100kV/cm vào khoảng giữa, song song 2 bản. Tụ có hư không?

Hướng dẫn:

– Điện trường giữa hai bản tụ là:

a) Trường hợp điện trường giới hạn bằng 30 kV/cm: Vì E < E_gh nên tụ không bị hư.

b) Trường hợp điện trường giới hạn bằng 100 kV/cm: Khi có tấm thủy tinh, điện dung của tụ tăng lên, điện tích ở các bản tụ tăng lên làm cho điện trường trong khoảng không khí cũng tăng lên.

Gọi E₁ là cường độ điện trường trong phần không khí; E₂ là cường độ điện trường trong phần thủy tinh. Ta có:

U = E₁(d – l) + E₂l và

Vì E₁ > E_gh = 30 kV/cm nên không khí bị đâm xuyên và trở nên dẫn điện, khi đó hiệu điện thế U của nguồn đặt trực tiếp vào tấm thủy tinh, điện trường trong tấm thủy tinh là:

> E_gh = 100 kV/cm nên thủy tinh bị đâm xuyên, tụ điện bị hư.

B. Bài tập

Bài 1: Một tụ điện có điện dung 2μF. Khi đặt một hiệu điện thế 4V vào hai bản tụ thì tụ điện tích được điện lượng bằng bao nhiêu?

Lời giải:

Ta có: Q = CU = 2.10^-6.4 = 8.10^-6 C

Bài 2: Nếu đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế 4V thì tụ tích được điện lượng là 2μ C. Nếu đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế 10V thì tụ tích được điện lượng bằng bao nhiêu?

Lời giải:

Ta có: . Khi đặt vào hai đầu tụ một hiệu điện thế 10V thì tụ tích được điện lượng là: Q = CU' = 0,5.10^-6.10 = 5.10^-6 C.

Bài 3: Hai đầu tụ có điện dung là 20 μF thì hiệu điện thế là 5V thì năng lượng tích được bằng bao nhiêu?

Lời giải:

Năng lượng tích được là

Bài 4: Giữa hai bản tụ phẳng cách nhau 1 cm có một hiệu điện thế 10V. Cường độ điện trường trong lòng tụ bằng bao nhiêu?

Lời giải:

Ta có:

Bài 5: Một tụ điện có điện dung 5.10^-6 F. Điện tích của tụ điện bằng 86 μC. Hiệu điện thế trên hai bản tụ điện bằng bao nhiêu?

Lời giải:

Ta có:

Tụ điện phẳng

A. Phương pháp & Ví dụ

Điện dung của tụ điện phẳng:

Trong đó: S là diện tích phần đối diện giữa 2 bản tụ (m²)

                d là khoảng cách giữa 2 bản tụ (m)

                ε là hệ số điện môi

    + Đối với tụ điện biến thiên thì phần đối diện của hai bản sẽ thay đổi.

    + Công thức chỉ áp dụng cho trường hợp chất điện môi lấp đầy khoảng không gian giữa hai bản. Nếu lớp điện môi chỉ chiếm một phần khoảng không gian giữa hai bản thì cần phải phân tích, lập luận mới tính được điện dung C của tụ điện.

Ví dụ 1: Một tụ phẳng có các bản hình tròn bán kính 10 cm, khoảng cách và hiệu điện thế hai bản tụ là 1 cm; 10⁸ V. Giữa hai bản là không khí. Tìm điện tích của tụ điện.

Hướng dẫn:

Ta có điện dung của tụ điện

Điện tích của tụ Q = CU = 2,78.10^-11.10⁸ = 3.10^-9 C

Ví dụ 2: Một tụ điện phẳng không khí có điện dung C = 500 pF tích điện đến hiệu điện thế U = 300 V.

a) Ngắt tụ khỏi nguồn, nhúng vào chất điện môi lỏng ε = 2. Hiệu điện thế, năng lượng điện trường giữa hai bản tụ điện bằng bao nhiêu?

b) Vẫn nối tụ với nguồn, nhúng vào chất điện môi lỏng ε = 2. Hiệu điện thế, năng lượng điện trường giữa hai bản tụ bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn:

a) Khi đặt trong không khí điện tích của tụ là Q = CU = 500.10^-12.300 = 1,5.10^-7 C.

Ngắt tụ khỏi nguồn và nhúng vào chất điện môi thì:

- Điện tích trên tụ là không đổi Q’ = Q = 1,5.10^-7 C

- Điện dung của tụ tăng

- Hiệu điện thế của tụ lúc này là

- Năng lượng trong lòng bản tụ:

b) Vẫn nối tụ với nguồn và nhúng vào chất điện môi thì:

- Hiệu điện thế trên tụ không đổi: U’ = U = 300 V

- Điện dung của tụ tăng:

- Điện tích tích trên tụ tăng : Q = C’U’ = 300.10^-9 C

- Năng lượng trong lòng tụ tăng:

Ví dụ 3: Tụ điện phẳng không khí điện dung C = 2pF được tích điện ở hiệu điện thế U = 600 V.

a) Tính điện tích Q của tụ.

b) Ngắt tụ khỏi nguồn, đưa hai bản tụ ra xa để khoảng cách tăng gấp 2. Tính C₁, Q₁, U₁, W₁ của tụ.

c) Vẫn nối tụ với nguồn, đưa hai bản tụ ra xa để khoảng cách tăng gấp 2 lần. Tính C₂, Q₂, U₂ của tụ.

Hướng dẫn:

a) Điện tích của tụ: Q = CU = 2.10^-2.600 = 1,2.10^-9 C.

b) Khi ngắt tụ khỏi nguồn: điện tích tụ không đổi nên Q₁ = Q = 1,2.10^-9 C

Điện dung của tụ điện:

Hiệu điện thế của tụ điện:

c) Khi vẫn nối tụ với nguồn điện: hiệu điện thế giữa hai bản tụ không đổi: U₂ = U = 600 V

Điện dung của tụ:

Điện tích của tụ: Q₂ = C₂U₂ = 10^-12.600 = 0,6.10^-9 C.

Ví dụ 4: Hai bản tụ điện phẳng có dạng hình tròn bán kính R = 60 cm, khoảng cách giữa các bản là d = 2mm. Giữa hai bản là không khí. Có thể tích điện cho tụ điện một điện tích lớn nhất là bao nhiêu để tụ điện không bị đánh thủng ? Biết rằng điện trường lớn nhất mà không khí chịu được là 3.10⁵ V/m.

Hướng dẫn:

Điện dung của tụ điện

Hiệu điện thế lớn nhất có thể đặt vào hai đầu bản tụ là U = Ed = 3.10⁵.0,002 = 600 V.

Điện tích lớn nhất tụ tích được để không bị đánh thủng là Q = CU = 5.10^-9.600 = 3.10^-6 C

B. Bài tập

Bài 1: Hai bản tụ điện phẳng có dạng hình tròn bán kính R = 60 cm, khoảng cách giữa hai bản là d = 2 mm. Giữa hai bản là không khí. Tính điện dung của tụ điện.

Lời giải:

Điện dung của tụ điện

Bài 2: Một tụ điện phẳng được mắc vào hai cực của một nguồn điện có hiệu điện thế 50 V. Ngắt tụ điện ra khỏi nguồn rồi kéo cho khoảng cách giữa hai bản tụ tăng lên gấp hai lần. Tìm hiệu điện thế của tụ khi đó.

Lời giải:

Ta có: d’ = 2d. Ngắt tụ ra khỏi nguồn thì điện tích trên tụ không đổi: Q = CU = C’U’

Bài 3: Cho một tụ điện phẳng mà hai bản có dạng hình tròn bán kính 2 cm và đặt trong không khí. Hai bản cách nhau 2 mm. Có thể đặt một hiệu điện thế lớn nhất là bao nhiêu vào hai bản tụ điện đó ? Cho biết điện trường đánh thủng đối với không khí là 3.10⁶ V/m.

Lời giải:

Hiệu điện thế lớn nhất có thể đặt vào hai bản tụ là U = E_maxd = 3.10⁶.2.10^-3 = 6000 V.