Câu hỏi mở đầu trang 83

Đề bài: Nếu một chiếc quạt điện gặp trục trặc như: cánh quạt quay chậm hoặc không quay dù vẫn cắm điện; động cơ nóng, rung và có âm thanh bất thường, thì một trong những nguyên nhân mà chúng ta cần xem xét là hỏng tụ điện. Vậy tụ điện có cấu tạo như thế nào?

Lời giải:

Tụ điện là một loại linh kiện điện tử có cấu tạo gồm:

• Hai vật dẫn (thường là hai bản kim loại phẳng) đặt gần nhau và ngăn cách nhau bởi một môi trường cách điện gọi là điện môi (có thể là không khí, giấy, paraffin, gốm,…).
• Mỗi vật dẫn được gọi là một bản tụ điện.

Trong thực tế, để giảm kích thước, người ta thường cuộn các bản tụ và lớp điện môi lại, đặt trong vỏ kim loại tạo thành tụ điện hình trụ.

II. Điện dung của tụ điện

Câu hỏi 1 trang 85

Đề bài: Cho một tụ điện trên vỏ có ghi là 2 μF – 200 V.

a) Đặt vào hai bản tụ điện một hiệu điện thế 36 V. Hãy tính điện tích mà tụ điện tích được.

b) Hãy tính điện tích mà tụ điện tích được ở hiệu điện thế tối đa cho phép.

Lời giải:

Tóm tắt: $C = 2 ; \mu F = 2 \cdot 10^{-6}$ F; $U_{max} = 200$ V.

a) Khi $U = 36$ V:

Áp dụng công thức $Q = CU$:

$$Q = 2 \cdot 10^{-6} \cdot 36 = 72 \cdot 10^{-6} ; \text{C} = 72 ; \mu C$$

b) Khi $U = U_{max} = 200$ V:

$$Q_{max} = C \cdot U_{max} = 2 \cdot 10^{-6} \cdot 200 = 400 \cdot 10^{-6} ; \text{C} = 400 ; \mu C$$

Câu hỏi 2 trang 85

Đề bài: Có hai chiếc tụ điện, trên vỏ tụ điện A có ghi 2 μF – 350 V, tụ điện B có ghi 2,3 μF – 300 V.

a) Trong hai tụ điện trên, khi tích điện ở cùng một hiệu điện thế, tụ điện nào có khả năng tích điện tốt hơn?

b) Khi tích điện lên mức tối đa cho phép thì tụ điện nào sẽ có điện tích lớn hơn?

Lời giải:

Tóm tắt: Tụ A: $C_A = 2$ μF, $U_{max,A} = 350$ V. Tụ B: $C_B = 2{,}3$ μF, $U_{max,B} = 300$ V.

a) Khi tích điện ở cùng hiệu điện thế U:

Theo công thức $Q = CU$, ở cùng U thì tụ nào có điện dung C lớn hơn sẽ tích điện được nhiều hơn.

Vì $C_B = 2{,}3 ; \mu F > C_A = 2 ; \mu F$ → tụ B có khả năng tích điện tốt hơn.

b) Khi tích điện ở mức tối đa cho phép:

$$Q_{max,A} = C_A \cdot U_{max,A} = 2 \cdot 10^{-6} \cdot 350 = 700 ; \mu C$$

$$Q_{max,B} = C_B \cdot U_{max,B} = 2{,}3 \cdot 10^{-6} \cdot 300 = 690 ; \mu C$$

So sánh: $Q_{max,A} > Q_{max,B}$ → tụ A có điện tích lớn hơn khi tích điện ở mức tối đa cho phép.

III. Năng lượng của tụ điện

Câu hỏi trang 88

Đề bài: Có hai chiếc tụ điện, tụ điện D có thông số cơ bản được ghi là 2 μF – 450 V; tụ điện E có thông số cơ bản được ghi là 2,5 μF – 350 V. Khi các tụ điện trên được tích điện tới mức tối đa cho phép, hãy tính năng lượng của mỗi tụ điện.

Lời giải:

Áp dụng công thức năng lượng của tụ điện: $W = \dfrac{CU^2}{2}$.

• Năng lượng của tụ D (với $C_D = 2$ μF, $U_{max,D} = 450$ V):

$$W_D = \dfrac{C_D \cdot U_{max,D}^2}{2} = \dfrac{2 \cdot 10^{-6} \cdot 450^2}{2} = \dfrac{2 \cdot 10^{-6} \cdot 202500}{2}$$

$$W_D = \dfrac{0{,}405}{2} = 0{,}2025 ; (\text{J})$$

• Năng lượng của tụ E (với $C_E = 2{,}5$ μF, $U_{max,E} = 350$ V):

$$W_E = \dfrac{C_E \cdot U_{max,E}^2}{2} = \dfrac{2{,}5 \cdot 10^{-6} \cdot 350^2}{2} = \dfrac{2{,}5 \cdot 10^{-6} \cdot 122500}{2}$$

$$W_E = \dfrac{0{,}30625}{2} \approx 0{,}153 ; (\text{J})$$

Kết luận: Tụ D tích được năng lượng $W_D \approx 0{,}2025$ J, tụ E tích được năng lượng $W_E \approx 0{,}153$ J. Tụ D có năng lượng tích trữ lớn hơn mặc dù điện dung nhỏ hơn (vì hiệu điện thế tối đa lớn hơn nhiều).

IV. Ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

Hoạt động trang 88

Đề bài: Các em hãy sử dụng sách, báo, internet hoặc các mạng thông tin khác để tìm hiểu, sưu tập một số tụ điện thông dụng. Tiếp theo, các em lựa chọn và sử dụng các thông tin này để xây dựng một báo cáo về Một số ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống.

Lời giải:

Dưới đây là một mẫu báo cáo các em tham khảo:

BÁO CÁO

Một số ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

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

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

• Khởi động động cơ điện trong quạt, máy bơm, máy điều hoà, tủ lạnh.
• Tích trữ và cung cấp năng lượng trong máy hàn, đèn flash của máy ảnh, mạch khuếch đại âm thanh.
• Lọc nhiễu, lọc dòng điện trong các mạch điện tử (chỉ cho dòng xoay chiều đi qua, chặn dòng một chiều).
• Mạch dao động trong radio, TV để chọn tần số.
• Bảo vệ thiết bị điện khỏi xung điện đột ngột.

Em có thể

Đọc hiểu thông số kĩ thuật của tụ điện

Lời giải:

Trên vỏ tụ điện thường ghi hai thông số kĩ thuật quan trọng:

• Điện dung C: đơn vị thường dùng là microfara (μF), nanofara (nF) hoặc picofara (pF). Đây là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ.
• Hiệu điện thế tối đa cho phép $U_{max}$: đơn vị vôn (V). Đây là giới hạn an toàn — nếu đặt hiệu điện thế lớn hơn $U_{max}$, tụ có thể bị đánh thủng (hỏng).

Ví dụ: Tụ điện ghi “2 μF – 200 V”:

• Điện dung $C = 2 ; \mu F = 2 \cdot 10^{-6}$ F.
• Hiệu điện thế tối đa cho phép $U_{max} = 200$ V → khi dùng, hiệu điện thế đặt vào hai bản tụ không được vượt quá 200 V.

Hiểu và thực hành các cách ghép nối tiếp và ghép song song của các tụ điện

Lời giải:

a) Ghép nối tiếp:

Các tụ điện được mắc lần lượt, “đầu nối đuôi”. Khi đó:

$$U = U_1 + U_2 + \ldots + U_n$$

$$Q = Q_1 = Q_2 = \ldots = Q_n$$

$$\dfrac{1}{C} = \dfrac{1}{C_1} + \dfrac{1}{C_2} + \ldots + \dfrac{1}{C_n}$$

→ Điện dung của bộ tụ ghép nối tiếp nhỏ hơn điện dung của từng tụ thành phần. Cách ghép này dùng khi cần hiệu điện thế lớn hơn $U_{max}$ của từng tụ.

b) Ghép song song:

Các tụ điện được mắc cùng hai đầu vào một nguồn. Khi đó:

$$U = U_1 = U_2 = \ldots = U_n$$

$$Q = Q_1 + Q_2 + \ldots + Q_n$$

$$C = C_1 + C_2 + \ldots + C_n$$

→ Điện dung của bộ tụ ghép song song lớn hơn điện dung của từng tụ thành phần. Cách ghép này dùng khi cần tích điện lớn hơn.

Vận dụng kiến thức về năng lượng của tụ điện

Lời giải:

Nguyên lí hoạt động của máy hàn điện: Bộ tụ điện trong máy hàn được tích điện đến giá trị $Q$ và hiệu điện thế $U$ cao → tích trữ năng lượng rất lớn $W = \dfrac{CU^2}{2}$. Khi phóng điện qua điểm hàn, năng lượng này được giải phóng cực nhanh, tạo ra dòng điện rất lớn và nhiệt độ cao → làm nóng chảy kim loại tại chỗ tiếp xúc → tạo mối hàn vững chắc.

Tia sét giữa các đám mây tích điện trái dấu: Các đám mây tích điện trái dấu giống như hai bản tụ điện khổng lồ, tích trữ năng lượng cực lớn. Khi hiệu điện thế giữa hai đám mây đủ lớn, không khí giữa chúng bị đánh thủng, dòng điện phóng qua tạo thành tia sét kèm ánh sáng và tiếng nổ.

Tìm hiểu về các ứng dụng của tụ điện trong cuộc sống

Lời giải:

Để xây dựng báo cáo về ứng dụng của tụ điện, có thể thực hiện theo các bước:

• Bước 1: Thu thập thông tin từ sách, báo, internet về các loại tụ điện (tụ gốm, tụ hoá, tụ giấy, tụ xoay,…).
• Bước 2: Quan sát thực tế các thiết bị điện trong gia đình để nhận biết tụ điện và đọc thông số trên vỏ tụ.
• Bước 3: Phân loại theo điện dung, điện áp, hình dạng, mục đích sử dụng.
• Bước 4: Trình bày báo cáo theo mẫu (xem mục Hoạt động trang 88 ở trên).

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn