Giáo án Bài 21. Tụ điện

HS nhận biết tụ điện là linh kiện có khả năng tích và giải phóng điện tích nhanh; từ hiện tượng thực tế, HS nêu được vấn đề cần giải quyết: đại lượng nào đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ và tụ tích được bao nhiêu năng lượng?

GV chiếu hình ảnh đèn flash máy ảnh và đặt hai câu hỏi:

• Câu 1: Vì sao đèn flash có thể loé sáng ngay sau khi bấm nút, trong khi pin của máy chỉ cung cấp dòng điện tương đối nhỏ và ổn định?
• Câu 2: Khi đã ngắt khỏi nguồn, một mạch có tụ điện còn có điện hay không? Vì sao?
  HS suy nghĩ cá nhân 1 phút, sau đó trả lời miệng.

Dự kiến câu trả lời của HS:

• Câu 1: Tụ điện được tích điện từ nguồn trước, năng lượng được lưu trong điện trường giữa hai bản; khi bấm nút, tụ phóng điện nhanh qua đèn nên tạo ánh sáng loé mạnh.
• Câu 2: Có. Tụ vẫn giữ điện tích và năng lượng nếu không có đường xả thích hợp.
  Kết luận cần đạt: tụ điện là hệ hai vật dẫn ngăn cách bởi điện môi, có khả năng tích điện và giải phóng nhanh. Câu hỏi định hướng bài học: đại lượng nào đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ và các đại lượng $Q$, $U$, $C$, $W$ liên hệ với nhau như thế nào?

HS nêu được định nghĩa tụ điện và điện dung, viết được $C = \dfrac{Q}{U}$, nêu được đơn vị fara và giải thích được điện dung không phụ thuộc vào $Q$ hay $U$.

HS làm việc theo nhóm 4, dùng Phiếu học tập số 1. Nhóm mở mô phỏng tụ phẳng $C_1 = 300\,\mu\mathrm{F}$ trên trang NeoEdu, đặt khoá K ở vị trí nạp và thay đổi hiệu điện thế nguồn $U$ lần lượt 3 V, 6 V, 9 V, 12 V; ghi giá trị $Q$ hiển thị, tính tỉ số $C = Q/U$ rồi trả lời:

• Câu 1: Tụ điện gồm những bộ phận nào? Hai bản tích điện như thế nào?
• Câu 2: Khi $U$ tăng, $Q$ thay đổi thế nào? $C = Q/U$ có thay đổi không?
• Câu 3: Đơn vị của $C$ là gì? Đổi $1\,\mu\mathrm{F}$ ra fara.
  GV có thể biểu diễn nạp tụ thấp áp nếu có điều kiện, nhắc HS chỉ quan sát, không chạm vào mạch điện.

Bảng kết quả dự kiến:

• $U = 3$ V: $Q = 900\,\mu\mathrm{C}$, $C = 300\,\mu\mathrm{F}$
• $U = 6$ V: $Q = 1800\,\mu\mathrm{C}$, $C = 300\,\mu\mathrm{F}$
• $U = 9$ V: $Q = 2700\,\mu\mathrm{C}$, $C = 300\,\mu\mathrm{F}$
• $U = 12$ V: $Q = 3600\,\mu\mathrm{C}$, $C = 300\,\mu\mathrm{F}$
  Kiến thức HS rút ra:
• Tụ điện là hệ hai vật dẫn đặt gần nhau, ngăn cách bởi lớp cách điện, dùng để tích điện; hai bản có điện tích trái dấu, cùng độ lớn $Q$.
• Điện dung $C = \dfrac{Q}{U}$ là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ ở một hiệu điện thế; đơn vị là fara, $1\,\mathrm{F} = 1\,\mathrm{C/V}$; $1\,\mu\mathrm{F} = 10^{-6}\,\mathrm{F}$.
• Khi $U$ tăng, $Q$ tăng tỉ lệ thuận nhưng $C$ không đổi; $C$ chỉ phụ thuộc cấu tạo và điện môi, không tăng chỉ vì nạp thêm điện tích.

HS vận dụng được công thức ghép tụ song song và nối tiếp; nhận ra đại lượng chung của mỗi cách ghép (hiệu điện thế hoặc điện tích).

Kỹ thuật mảnh ghép: nhóm 4 chia thành hai nhóm nhỏ. Nhóm A khảo sát ghép song song, nhóm B khảo sát ghép nối tiếp, cùng dùng hai tụ $C_1 = 300\,\mu\mathrm{F}$ và $C_2 = 600\,\mu\mathrm{F}$ trên mô phỏng NeoEdu, ghi số liệu vào Phiếu học tập số 1 (mục B).

• Nhóm A (song song): nối hai tụ song song với nguồn $U = 12$ V; tính $C_b$ theo $C_b = C_1 + C_2$; tính $Q_1$, $Q_2$, $Q_b$.
• Nhóm B (nối tiếp): nối hai tụ nối tiếp với nguồn $U = 12$ V; tính $C_b$ theo $\dfrac{1}{C_b} = \dfrac{1}{C_1} + \dfrac{1}{C_2}$; kiểm tra điện tích trên hai tụ và tính hiệu điện thế trên từng tụ.
  Sau đó hai nhóm ghép mảnh: chia sẻ kết quả và so sánh đại lượng nào chung.

Kết quả dự kiến:

• Song song: $C_b = 900\,\mu\mathrm{F}$; $U = 12$ V là chung cho hai tụ; $Q_1 = 3600\,\mu\mathrm{C}$, $Q_2 = 7200\,\mu\mathrm{C}$, $Q_b = 10800\,\mu\mathrm{C}$.
• Nối tiếp: $C_b = 200\,\mu\mathrm{F}$ (vì $\dfrac{1}{C_b} = \dfrac{1}{300} + \dfrac{1}{600} = \dfrac{1}{200}$); điện tích chung $Q = C_bU = 2400\,\mu\mathrm{C}$ trên mỗi tụ; hiệu điện thế $U_1 = 8$ V, $U_2 = 4$ V, tổng $12$ V.
  Kiến thức HS rút ra:
• Song song: điện dung cộng lại, hiệu điện thế chung.
• Nối tiếp: nghịch đảo điện dung cộng lại, điện tích chung; $C_b$ nhỏ hơn điện dung nhỏ nhất.
• Lưu ý: công thức ghép tụ nối tiếp khác với ghép điện trở song song, không nhầm lẫn.

HS tính được năng lượng tụ điện tích được theo $W = \dfrac{1}{2}CU^2 = \dfrac{Q^2}{2C}$ và giải thích được hiện tượng đèn LED loé rồi tắt dần khi tụ phóng điện.

HS quan sát thí nghiệm nạp và phóng tụ (GV biểu diễn với bộ thấp áp hoặc HS thao tác trên thí nghiệm ảo NeoEdu, 15 phút, có phiếu báo cáo) theo Phiếu học tập số 2:

• Bước 1: Đặt khoá K về nguồn, nạp tụ $C = 10\,\mu\mathrm{F}$ với $U = 12$ V (hoặc tụ $C_1 = 300\,\mu\mathrm{F}$ trên mô phỏng).
• Bước 2: Gạt khoá K sang đèn LED, quan sát đèn loé rồi tắt dần.
  Trả lời: (1) Năng lượng được lưu ở đâu khi tụ được nạp? (2) Viết công thức tính năng lượng. (3) Tính năng lượng tụ tích được khi $C = 10\,\mu\mathrm{F}$, $U = 12$ V; đổi ra mJ.
  GV nhấn mạnh: chỉ dùng bộ thấp áp được giáo viên kiểm tra và xả qua điện trở đúng quy trình; không chập hai cực tụ.

Kết quả dự kiến:

• Năng lượng được lưu trong điện trường giữa hai bản tụ.
• Công thức: $W = \dfrac{1}{2}CU^2 = \dfrac{Q^2}{2C}$.
• Ví dụ: $C = 10\,\mu\mathrm{F}$, $U = 12$ V, $Q = 120\,\mu\mathrm{C}$: $W = \dfrac{1}{2}\cdot 10\cdot 10^{-6}\cdot 12^2 = 0{,}00072$ J $= 0{,}72$ mJ.
• Đèn LED loé rồi tắt dần vì năng lượng được giải phóng dần qua đèn khi điện tích trên hai bản giảm.
  Kiến thức HS rút ra: năng lượng tụ tỉ lệ với $C$ và bình phương $U$; tụ có thể giữ điện sau khi ngắt nguồn nếu không có đường xả thích hợp.

HS vận dụng công thức điện dung, ghép tụ, điện tích và năng lượng để giải các bài tập cơ bản; nhận biết và sửa quan niệm sai.

HS làm việc theo cặp đôi, giải các bài tập sau rồi đổi chéo kiểm tra:

• Bài 1: $C_1 = 2\,\mu\mathrm{F}$ và $C_2 = 3\,\mu\mathrm{F}$ mắc song song. Tính $C_b$ theo $\mu\mathrm{F}$.
• Bài 2: Hai tụ $6\,\mu\mathrm{F}$ giống nhau nối tiếp. Tính $C_b$ theo $\mu\mathrm{F}$.
• Bài 3: Sau khi ngắt nguồn, tụ có thể thế nào? A. Mất hết điện tức thì trong mọi mạch. B. Tự tăng điện áp vô hạn. C. Vẫn còn điện tích và năng lượng. D. Luôn an toàn để chạm ngay.
• Bài 4: Tụ lí tưởng có cấu tạo không đổi. a) $C$ không phụ thuộc $Q$ nạp. b) Tăng $U$ đôi làm $Q$ tăng đôi. c) Tăng $U$ đôi làm $W$ tăng đôi. d) Không vượt điện áp định mức. Ghi Đúng hoặc Sai cho từng ý.
• Bài 5: Hai tụ song song cùng hai nút có đại lượng chung nào? A. Hiệu điện thế. B. Điện tích nếu $C$ khác nhau. C. Năng lượng nếu $C$ khác nhau. D. Điện dung.
• Bài 6: Tụ $10\,\mu\mathrm{F}$ nạp $12$ V: tính $Q$ theo $\mu\mathrm{C}$ và $W$ theo mJ.

Đáp án:

• Bài 1: $C_b = C_1 + C_2 = 5\,\mu\mathrm{F}$.
• Bài 2: $\dfrac{1}{C_b} = \dfrac{1}{6} + \dfrac{1}{6} \Rightarrow C_b = 3\,\mu\mathrm{F}$.
• Bài 3: Đáp án C (tụ giữ điện nếu không có đường xả thích hợp).
• Bài 4: a) Đúng; b) Đúng ($Q = CU$ tỉ lệ với $U$); c) Sai (vì $W$ tỉ lệ với $U^2$ nên tăng 4 lần); d) Đúng.
• Bài 5: Đáp án A (hiệu điện thế chung; $Q = CU$ khác nhau theo $C$).
• Bài 6: $Q = CU = 10\cdot 12 = 120\,\mu\mathrm{C}$; $W = \dfrac{1}{2}CU^2 = 0{,}00072$ J $= 0{,}72$ mJ.
  Kiến thức củng cố: nắm vững đại lượng chung của từng cách ghép và quan hệ $W$ với $U^2$.

HS vận dụng công thức $Q = CU$, $W = \dfrac{Q^2}{2C}$ để giải bài toán tụ đã cách li nguồn khi điện dung thay đổi; liên hệ được kiến thức với các ứng dụng đèn flash và bộ lọc nguồn.

HS làm việc theo cặp đôi, giải bài toán sau:
Tụ $4\,\mu\mathrm{F}$ được nạp đến $20$ V rồi cách li khỏi nguồn. Giả sử điện dung tăng gấp đôi trong mô hình lí thuyết, điện tích không đổi. Tính điện tích $Q$, hiệu điện thế mới $U'$, năng lượng ban đầu $W$ và năng lượng mới $W'$; so sánh $W'$ với $W$.
Sau đó mỗi cặp trả lời: Nêu một ứng dụng của tụ điện trong đời sống (đèn flash, máy khử rung tim hoặc bộ lọc nguồn) và một lưu ý an toàn khi làm việc với tụ.
Bài tập này được giao tiếp tục về nhà nếu thời gian không đủ.

Đáp án:

• $Q = CU = 4\cdot 20 = 80\,\mu\mathrm{C}$, không đổi sau khi cách li nguồn.
• $W = \dfrac{1}{2}CU^2 = \dfrac{1}{2}\cdot 4\cdot 10^{-6}\cdot 20^2 = 8\cdot 10^{-4}$ J $= 0{,}8$ mJ.
• $C' = 8\,\mu\mathrm{F}$, $U' = \dfrac{Q}{C'} = \dfrac{80}{8} = 10$ V.
• $W' = \dfrac{Q^2}{2C'} = \dfrac{(80\cdot 10^{-6})^2}{2\cdot 8\cdot 10^{-6}} = 4\cdot 10^{-4}$ J $= 0{,}4$ mJ; $W' = \dfrac{W}{2}$.
  Ứng dụng và lưu ý: đèn flash cần tụ để giải phóng năng lượng tức thời qua đèn; lưu ý không chập hai cực tụ, không tự tháo tụ trong thiết bị điện lưới và chỉ thao tác với bộ thấp áp được giáo viên kiểm tra.
  Kiến thức HS rút ra: khi $C$ tăng gấp đôi mà $Q$ không đổi thì $U$ giảm một nửa và $W$ giảm một nửa; điện dung không do nạp thêm điện tích mà quyết định.