Điện thế, hiệu điện thế, tụ điện SVIP

I. Thế năng của điện tích trong điện trường

1. Công của lực điện trường

 Chuyển động của điện tích dương \(q\) từ điểm M đến điểm N trong điện trường đều

Công của lực điện trong dịch chuyển của điện tích \(q\) từ điểm M đến điểm N trong điện trường đều bằng \(qEd\), không phụ thuộc vào hình dạng của đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu M và vị trí điểm cuối N của độ dịch chuyển trong điện trường.

\(A_{MN}=qEd\)

Trong đó: \(d\) là độ dài đại số của đoạn MM', là hình chiếu của đoạn MN trên một đường sức điện.

2. Thế năng

- Số đo thế năng của điện tích \(q\) tại điểm M trong điện trường đều bằng công của lực điện có thể sinh ra khi điện tích $q$ di chuyển từ điểm M tới điểm mốc để tính thế năng:

\(W_M=qEd\)

trong đó $d$ là khoảng cách từ M đến bản cực âm, \(W_M\) là thế năng của điện tích $q$ tại điểm M.

- Số đo thế năng của điện tích $q$ tại điểm M trong điện trường bất kì bằng công của lực điện có thể sinh ra khi điện tích $q$ di chuyển từ điểm M tới điểm mốc để tính thế năng.

Khi chọn mốc thế năng tại vô cực, số đo thế năng của điện tích $q$ tại điểm M trong điện trường bằng công của lực điện trong dịch chuyển của điện tích $q$ từ điểm M tới vô cực:

\(W_M=A_{M\infty}\)

II. Điện thế và hiệu điện thế

1. Điện thế

Thế năng của điện tích tại mỗi điểm trong điện trường tỉ lệ thuận với \(q\):

\(W_M=V_Mq\)

Điện thế tại một điểm trong điện trường đặc trưng cho điện trường tại điểm đó về thế năng, được xác định bằng công dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ điểm đang xét ra vô cùng.

\(V=\dfrac{A}{q}\)

Đơn vị của điện thế là vôn (V), kilôvôn (kV), 1kV = 1000 V.

2. Hiệu điện thế

Hiệu điện thế \(U_{MN}\) mà ta đo được chính là giá trị của hiệu giữa điện thế tại M và điện thế tại N.

\(U_{MN}=V_M-V_N\)

Công thực hiện để dịch chuyển điện tích \(q\) từ điểm N đến điểm M bằng:

\(A_{NM}=\left(V_M-V_N\right)q=U_{MN}q\)

\(\Rightarrow U_{MN}=\dfrac{A_{MN}}{q}\)

Hiệu điện thế có đơn vị là vôn.

3. Liên hệ giữa cường độ điện trường và hiệu điện thế

Trong điện trường đều, xét một điện tích thử dương chuyển động dọc theo một đường sức điện từ điểm M đến điểm N.

Chuyển động của điện tích thử dọc theo một đường sức

Chọn chiều dương của trục tọa độ là chiều đường sức. Ta có:

\(E_M=E_N=E=\dfrac{U_{MN}}{d_{MN}}=\dfrac{V_M-V_N}{MN}\)       

Kết quả trên cho thấy: trong điện trường đều, độ lớn của cường độ điện trường bằng độ giảm của điện thế dọc theo một đơn vị độ dài đường sức.

Cường độ điện trường tại một điểm M có độ lớn bằng thương của hiệu điện thế giữa hai điểm M và N trên một đoạn nhỏ đường sức chia cho độ dài đại số của đoạn đường sức đó.

III. Tụ điện​

1. Khái niệm về tụ điện

​ Một số loại tụ điện

Tụ điện là một loại linh kiện điện tử gồm hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bởi môi trường cách điện (điện môi). Mỗi vật dẫn được gọi là một bản tụ điện.

Kí hiệu của tụ điện trong mạch điện:

 Trong mạch điện, tụ điện có nhiệm vụ tích điện và phóng điện.

- Để tích điện cho tụ điện, người ta nối hai bản cực của tụ điện với hai cực của nguồn điện một chiều. Bản nối với cực dương sẽ tích điện dương, bản nối với cực âm sẽ tích điện âm. Điện tích trên hai bản tụ điện có độ lớn bằng nhau nhưng trái dấu. Độ lớn của điện tích trên một bản tụ điện được gọi là điện tích của tụ điện.

 Tích điện cho tụ điện

- Sau khi tích điện cho tụ điện, ta bỏ nguồn điện ra và nối hai bản tụ điện với một điện trở (hoặc bóng đèn), sẽ có dòng điện chạy qua điện trở và điện tích trên tụ điện giảm nhanh. Đó là sự phóng điện của tụ điện.

2. Điện dung của tụ điện

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.

\(C=\dfrac{Q}{U}\)

Trong đó, \(Q\) tính bằng đơn vị culông (c), \(U\) tính bằng đơn vị vôn (V) thì đơn vị của điện dung \(C\) là fara (kí hiệu là F).

Vậy, 1 fara là điện dung của một tụ điện mà nếu đặt hiệu điện thế 1 V vào hai bản tụ điện thì điện tích của tụ điện là 1 C.

Chú ý: tụ điện thường sử dụng trong thực tế có điện dung vào khoảng từ 10^-12 F đến 10^-6 F nên người ta cũng thường dùng các đơn vị:

+ 1 micrôfara (kí hiệu là μF) = 10^-6 F

+ 1 nanôfara (kí hiệu là nF) = 10^-9 F

+ 1 picôfara (kí hiệu là pF) = 10^-12 F

3. Điện dung của bộ tụ điện ghép song song

Bộ tụ điện ghép song song

Ghép n tụ điện chưa tích điện có điện dung \(C_1,C_2,...,C_n\) song song với nhau rồi mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế \(U\). Hiệu điện thế, điện tích và điện dung của bộ tụ sẽ có mối liên hệ với các đại lượng tương ứng của mỗi tụ theo công thức sau:

\(U=U_1=U_2=...=U_n\)

\(Q=Q_1+Q_2+...+Q_n\)

\(C=C_1+C_2+...+C_n\)

4. Điện dung của bộ tụ điện ghép nối tiếp

Bộ tụ điện ghép nối tiếp

Ghép nối tiếp n tụ điện chưa tích điện có điện dung \(C_1,C_2,...,C_n\) với nhau rồi mắc vào nguồn điện có hiệu điện thế \(U\). Hiệu điện thế, điện tích và điện dung của bộ tụ sẽ có mối liên hệ với các đại lượng tương ứng của mỗi tụ theo các công thức sau:

\(U=U_1+U_2+...+U_n\)

\(Q=Q_1=Q_2=...=Q_n\)

\(\dfrac{1}{C}=\dfrac{1}{C_1}+\dfrac{1}{C_2}+...+\dfrac{1}{C_n}\)

5. Năng lượng của tụ điện

Năng lượng của tụ điện khi được tích điện với điện tích \(Q\):

\(W=\dfrac{QU}{2}=\dfrac{Q^2}{2C}=\dfrac{CU^2}{2}\)

Trong đó, điện tích \(Q\) có đơn vị là culông; hiệu điện thế \(U\) đơn vị là vôn; điện dung \(C\) đơn vị là fara, năng lượng \(W\) có đơn vị là jun.

Năng lượng của tụ điện cũng chính là năng lượng điện trường trong tụ điện.

 1. Thế năng của một điện tích $q$ trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường khi đặt điện tích $q$ tại điểm đang xét.

\(W_M=V_Mq\)

2. Điện thế tại một điểm trong điện trường đặc trưng cho điện trường tại điểm đó về thế năng.

\(V_M=\dfrac{A_{M\infty}}{q}=\dfrac{W_M}{q}\)

3. Hiệu điện thế giữa hai điểm M, N trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường khi di chuyển điện tích từ M đến N.

\(U_{MN}=V_M-V_N=\dfrac{A_{MN}}{q}\)

4. 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.

\(C=\dfrac{Q}{U}\)

5. Điện dung của $n$ tụ điện ghép song song:

\(C=C_1+C_2+...+C_n\)

6. Điện dung của $n$ tụ điện ghép nối tiếp:

\(\dfrac{1}{C}=\dfrac{1}{C_1}+\dfrac{1}{C_2}+...+\dfrac{1}{C_n}\)

7. Năng lượng của tụ điện:

\(W=\dfrac{QU}{2}=\dfrac{CU^2}{2}=\dfrac{Q^2}{2C}\)