Tụ điện trong mạch điện một chiều

Chúng tôi trích giới thiệu với các bạn một số bản dịch từ tác phẩm Những câu hỏi và bài tập vật lí phổ thông của hai tác giả người Nga L. Tarasov và A. Tarasova, sách xuất bản ở Nga năm 1968. Bản dịch lại từ bản tiếng Anh xuất bản năm 1973.

Các bài giảng được trình bày dưới dạng thảo luận hỏi đáp giữa giáo viên (GV) và học sinh (HS).

§28. Tụ điện trong mạch điện một chiều

GV: Chúng ta hãy xét bài toán sau. Trong mạch điện như ở Hình 110, C là điện dung của tụ điện. Tìm điện tích Q trên bản tụ, biết suất điện động của nguồn điện bằng E và điện trở trong của nó là r.

HS A: Nhưng liệu chúng ta có thể sử dụng tụ trong mạch điện một chiều không thầy? Dẫu sao, chẳng có dòng điện nào chạy qua nó.

GV: Nó không chạy qua thì có sao nhỉ? Dòng điện chạy theo nhánh song song kia.

HS A: Em nghĩ em hiểu rồi. Vì dòng điện không chạy qua tụ trong mạch điện ở Hình 110, nên nó cũng sẽ không chạy qua điện trở R₁. Trong phần phía ngoài của mạch điện, dòng điện sẽ chỉ chạy qua điện trở R₂. Chúng ta có thể tính dòng điện từ liên hệ I = E/(R₂ + r) và rồi tính hiệu điện thế giữa điểm A và điểm B sẽ bằng độ giảm thế trên điện trở R₂, tức là

Em không biết làm gì tiếp theo nữa. Để tính điện tích trên bản tụ, trước tiên em phải tính hiệu điện thế giữa điểm A và điểm F.

GV: Em nói đúng khi kết luận không có dòng điện chạy qua điện trở R₁. Tuy nhiên, trong trường hợp như vậy, mọi điểm thuộc điện trở đó sẽ có cùng điện thế (hãy nhớ lại cái đã nói ở §24). Điều đó có nghĩa là φ_F = φ_B. Từ đây, sử dụng phương trình (175), ta tính được điện tích cần tìm

Bây giờ hãy xét bài toán sau đây. Trong mạch điện như ở Hình 111, E = 4 V, r = 1 Ω, R₁ = 3 Ω, R₂ = 2 Ω, C₁ = 2 µF (microfarad), C₂ = 8 µF, C₃ = 4 µF và C₄ = 6 µF. Tính điện tích trên từng tụ điện.

Ở đây, hãy nhớ lại các quy tắc cộng điện dung của những tụ ghép nối tiếp và ghép song song.

HS A: Em nhớ những quy tắc đó. Khi các tụ ghép song song, điện dung tổng hợp của chúng bằng tổng từng điện dung thành phần, tức là

C = C₁ + C₂ + C₃ + ... (177)

và khi chúng ghép nối tiếp thì điện dung tổng hợp được tính bằng cách lấy nghịch đảo của tổng nghịch đảo của từng điện dung thành phần. Tức là

1/C = 1/C₁ +1/ C₂ + 1/C₃ + ... (178)

GV: Đúng rồi. Bây giờ, sử dụng quy tắc (177), ta tính điện dung giữa điểm A và điểm B:

C_AB = 2 µF + 8 µF = 10 µF

và giữa điểm F và điểm D:

C_FD = 4 µF + 6 µF = 10 µF

Hiệu điện thế giữa điểm A và điểm D bằng độ giảm thế trên điện trở R₁. Như vậy

φ_D - φ_A = IR₁ = ER₁/(R₁ + r) = 3 V

Rõ ràng, điện trở R₂ không có vai trò gì trong mạch điện, và có thể bỏ qua.

Vì C_AB= C_FD, nên

φ_B - φ_A = φ_D - φ_F = 3V / 2 = 1,5 V

Cuối cùng, ta có thể tính được các điện tích cần tìm:

Q₁= C₁ (φ_B - φ_A) = 3 µC (micro-coulomb)

Q₂= C₂ (φ_B - φ_A) = 12 µC

Q₃= C₃ (φ_D - φ_F) = 6 µC

Q₄= C₄ (φ_D - φ_F) = 9 µC

Bài tập

58. Trong mạch điện (Hình 112), E = 5 V, r = 1 Ω, R₂ = 4 Ω, R₁ = 3 Ω và C = 3 µF. Tính điện tích trên mỗi tụ điện.

59. Toàn bộ các đại lượng biểu diễn trên sơ đồ mạch điện Hình 113 là đã biết, tính điện tích trên mỗi tụ điện.

60. Một tụ phẳng có bản tụ chiều dài l được mắc vào một mạch điện như ở Hình 114. Cho biết suất điện động E của nguồn điện, điện trở trong r của nó và khoảng cách d giữa hai bản tụ. Một electron với vận tốc v₀ bay vào tụ theo phương song song với hai bản. Phải mắc song song với tụ một điện trở R bằng bao nhiêu để electron bay ra khỏi tụ hợp một góc α với bản tụ? Giả sử khối lượng m và điện tích q của electron là đã biết.

61. Hai tụ phẳng giống hệt nhau và đặt vuông góc nhau, bản tụ có chiều dài l và hai bản tụ cách nhau khoảng cách d, được mắc vào trong mạch điện như ở Hình 115. Suất điện động E và điện trở trong r của nguồn điện là đã biết. Tìm điện trở R để cho một electron bay với vận tốc v₀ vào một trong hai tụ, theo phương song song với bản tụ, bay vào tụ thứ hai và rồi bay ra theo phương song song với bản tụ. Khối lượng m và điện tích q của electron là đã biết.

62. Một tụ phẳng có hai bản tụ chiều dài l và khoảng cách giữa chúng là d, được mắc vào mạch điện như ở Hình 116 (suất điện động E, và điện trở R và r là đã biết). Một electron bay vào tụ với vận tốc v₀ song song với bản tụ. Tính góc hợp bởi electron và bản tụ khi nó bay ra khỏi tụ, m và q là đã biết.