KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Để dịch chuyển một điện tích dương đến gần điện tích dương khác, cần phải đẩy nó để thắng lực đẩy giữa chúng, Hình 3.1. Trong trường hợp này, ta nói rằng cần phải thực hiện một công để di chuyển một điện tích lại gần một điện tích khác. Năng lượng của một điện tích di chuyển trong iện trường được xác định như thế nào?

Lời giải:

• Năng lượng cần để di chuyển một điện tích từ vị trí ban đầu đến vị trí mới phụ thuộc vào lượng điện tích di chuyển và hiệu điện thế giữa hai vị trí này. Trong trường hợp này, nếu ta phải vượt qua lực đẩy giữa hai điện tích để di chuyển điện tích dương đến gần điện tích dương khác, thì hiệu điện thế giữa hai vị trí này sẽ tăng lên, dẫn đến năng lượng cần để di chuyển một điện tích cũng tăng lên.

I. THẾ NĂNG CỦA ĐIỆN TÍCH TRONG ĐIỆN TRƯỜNG

2. Thế năng

Câu hỏi 1: Vì sao đường biểu diễn sự thay đổi thế năng điện trong điện trường đều ở Hình 3.2 là một đường thắng?

Lời giải:

• Đường biểu diễn sự thay đổi thế năng điện trong điện trường đều là một đường thẳng vì sự thay đổi thế năng điện phụ thuộc vào vị trí của điểm trong không gian và không phụ thuộc vào quãng đường di chuyển.

Câu hỏi 2: Vì sao thế năng của điện tích tăng theo chiều ngược với chiều của cường độ điện trường?

Lời giải:

Thế năng của điện tích phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai điểm đó và lượng điện tích.

Cường độ điện trường là một vector vô hướng, có hướng từ điểm có điện tích cao đến điểm có điện tích thấp.

Nếu ta di chuyển một điện tích theo chiều cường độ điện trường, tức là từ điểm có điện tích thấp đến điểm có điện tích cao, hiệu điện thế giữa hai điểm đó sẽ giảm và do đó thế năng cần để di chuyển một điện tích từ điểm thấp đến điểm cao sẽ giảm.

Câu hỏi 3: So sánh công của lực điện dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ điểm đang xét ra vô cùng và công thực hiện để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô cùng về điểm đang xét.

Lời giải:

Công của lực điện để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ một điểm trong điện trường đến một điểm khác trong điện trường phụ thuộc vào thế năng giữa hai điểm đó và lượng điện tích.

Khi điểm đang xét là vô cùng, ta nói rằng ta đang đưa một điện tích dương từ vô cùng đến một điểm trong điện trường. Trong trường hợp này, thế năng của điện tích sẽ là 0, do đó công để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô cùng đến điểm đang xét cũng bằng 0.

Ngược lại, khi điểm đang xét là vô cùng, ta nói rằng ta đang đưa một điện tích dương từ một điểm trong điện trường đến vô cùng. Trong trường hợp này, thế năng của điện tích sẽ bằng hiệu của thế năng tại điểm đang xét và thế năng tại vô cùng. Vì thế năng tại vô cùng bằng 0, nên thế năng của điện tích sẽ bằng thế năng tại điểm đang xét. Do đó, công để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương từ vô cùng về điểm đang xét sẽ bằng thế năng của điện tích tại điểm đang xét.

Với hai trường hợp này, công để dịch chuyển một đơn vị điện tích dương là khác nhau. Khi đưa một điện tích dương từ vô cùng đến một điểm trong điện trường, công sẽ bằng 0. Khi đưa một điện tích dương từ một điểm trong điện trường đến vô cùng, công sẽ bằng thế năng của điện tích tại điểm đang xét.

II. ĐIỆN THẾ VÀ HIỆU ĐIỆN THẾ

1. Điện thế

Câu hỏi 4: Điện thế tại một điểm trong điện trường là gì?

Lời giải:

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

Luyện tập 1: Cho hai bản cực song song, cách nhau 25 cm như hình 3.3. Hiệu điện thế giữa hai bản là 2 kV.

a) Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là bao nhiêu?

b) Cường độ điện trường tại C và tại D là bao nhiêu?

c) Tìm lực điện tác dụng. lên một điện tích +5 $\mu C$ đặt tại C.

Lời giải:

a) Hiệu điện thế giữa hai điểm A và B là 2kV.

b) Cường độ điện trường giữa hai bản tụ cũng chính là cường độ điện trường tại mọi điểm phía trong bản tụ (vì đây là điện trường đều).

$E=\frac{U}{d}=\frac{2000}{0,25}=8000V/m$

c) Lực điện tác dụng lên điện tích đặt tại C

$F=qE=5.10^{-6}.8000=0,04N$

III. TỤ ĐIỆN 

3. Năng lượng của tụ điện

Câu hỏi 5: Vì sao tụ điện có năng lượng?

Lời giải:
Khi tụ điện được sạc, một lượng điện tích được tích tụ trên các bản dẫn. Điện tích này tạo ra một trường điện giữa hai bản dẫn của tụ điện. Năng lượng được tích tụ trong tụ điện là năng lượng của trường điện này. Khi ta ngắt kết nối giữa hai bản dẫn, tụ điện vẫn giữ lại năng lượng điện trong nó.

Luyện tập 2: Một tụ điện có điện dung 2 000 $\mu F$ được tích điện đến hiệu điện thế 10 V. Tính năng lượng của tụ điện.

Lời giải:
 Công thức tính năng lượng điện trường: $W=\frac{1}{2}CU^{2}=\frac{1}{2}2000.10^{-6} .10^{2}=0,1J$ 

Vận dụng: Cho các dụng cụ sau: Một tụ điện có điện dung 100 $\mu F$ và hiệu điện thế định mức khoảng 12 V; 4 pin 1,5 V; Một LED; Một điện trở 5$\Omega $; công tắc, dây dẫn điện. Nêu phương án dùng các dụng cụ này chứng minh tụ điện có lưu trữ năng lượng.

Lời giải:

Để chứng minh tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng, ta có thể sử dụng các dụng cụ trong danh sách như sau:

1. Kết nối một đầu của tụ điện với một điện trở có giá trị 5 $\Omega$, đầu kia của điện trở kết nối với đất.
2. Kết nối đầu còn lại của tụ điện với một đầu của LED, đầu kia của LED kết nối với đất.
3. Nối các đầu của bốn viên pin 1.5V với nhau theo kiểu nối tiếp để tạo ra một nguồn điện có điện áp định mức khoảng 6V.
4. Kết nối một đầu của công tắc với một đầu của nguồn điện 6V, đầu còn lại của công tắc kết nối với đất.
5. Nối đầu còn lại của nguồn điện 6V với đầu còn lại của LED.

Bây giờ, khi ta bật công tắc, nguồn điện sẽ cung cấp điện áp đến tụ điện. Ban đầu, tụ điện sẽ không có điện tích, nên điện áp trên tụ điện sẽ bằng 0. Tuy nhiên, khi nguồn điện cung cấp dòng điện vào tụ điện, tụ điện sẽ bắt đầu tích tụ điện tích, và điện áp trên tụ điện sẽ tăng lên theo thời gian. Điện áp trên tụ điện sẽ tiếp tục tăng lên cho đến khi nó đạt đến giới hạn của nguồn điện.

Khi điện áp trên tụ điện đạt đến giới hạn của nguồn điện, nó sẽ ngăn cản dòng điện tiếp tục chảy vào tụ điện. Lúc này, tụ điện sẽ lưu trữ năng lượng trong một khoảng thời gian dài, và LED sẽ sáng lên do điện trường trong mạch.