KHẢO SÁT MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ MỘT CHIỀU

THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 4 KHẢO SÁT MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ MỘT CHIỀU 1 Mục đích Khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở kim loại bằng cách vẽ đặc tuyến volt ampere của bóng.

THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 4: KHẢO SÁT MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ MỘT CHIỀU Mục đích Khảo sát phụ thuộc nhiệt độ điện trở kim loại cách vẽ đặc tuyến volt-ampere bóng đèn dây tóc Khảo sát mạch điện xoay chiều RC RL dựa sở áp d ụng ph ương pháp giản đồ vector Fresnel định luật Ohm dòng ện xoay chi ều đ ể xác định tổng trở, cảm kháng dung kháng mạch ện T xác đ ịnh điện dung tụ điện hệ số tự cảm cuộn dây dẫn Giới thiệu chung Nguồn điện xoay chiều điện chiều sử dụng nhiều r ất quen thuộc với sống ngày Trong thí nghi ệm này, d ựa vào nguồn điện chiều, tiến hành khảo sát s ự ph ụ thu ộc c hiệu điện hai đầu bóng đèn dây tóc vào cường độ dịng điện qua bóng đèn, đồng thời xác định điện trở dây tóc bóng đèn nhi ệt độ phịng Ngoài ra, khảo sát mạch ện xoay chi ều RC RL, t xác đ ịnh giá tr ị điện trở R, điện dung C tụ điện độ tự cảm L cuộn cảm Các dụng cụ thí nghiệm sử dụng bao gồm: Đồng hồ đo điện số DT9205A+ Bóng đèn dây tóc 12V-3W Điện trở R  220 Tụ điện mẫu C  20μF Cuộn cảm mẫu Lx Bảng lắp ráp mạch điện Dây dẫn nối mạch điện, dài 60cm Nguồn điện đa 12V-3A/AC-DC An tồn thực thí nghiệm Bài thí nghiệm sử dụng nguồn điện xoay chiều chiều, tiến hành thí nghiệm sinh viên cẩn thận an tồn điện, sử dụng chức nguồn điện Cắm phích, cắm nguồn điện phải thật chặt cấp hiệu điện cho mạch sau lắp thiết bị mạch điện đầy đủ, ki ểm tra xác Tóm tắt lý thuyết 4.1 Đường đặc trưng Volt-Ampere bóng đèn dây tóc thay đổi điện trở bóng đèn dây tóc theo nhiệt độ Hình 4.1 Mạch điện bóng đèn dây tóc Xét mạch điện gồm nguồn điện chiều U n cung cấp điện cho bóng đèn dây tóc Đ có điện trở R (Hình 4.1) Khi điều chỉnh điện áp đầu nguồn điện U n hiệu điện U hai đầu đèn đo volt kế chiều V cường độ dịng điện I chạy qua bóng đèn đo ampere kế chiều A Theo định luật Ohm mạch điện chiều, cường độ dòng điện I chạy qua đoạn mạch tỉ lệ với hiệu điện U hai đầu đoạn mạch tỉ lệ nghịch với điện trở R đoạn mạch: I U R (4.1) Nếu R có giá trị khơng đổi I tỉ lệ bậc với U Đồ thị I  f U  - gọi đường đặc tuyến volt-ampere, có dạng đường thẳng qua gốc toạ độ với hệ số góc: tan   R (4.2) Tuy nhiên, có dịng điện I chạy qua dây tóc đèn, lượng nhiệt Q hiệu ứng Joule-Lenz toả điện trở R dây tóc thời gian  tính (Vũ Thanh Khiết, 2001): Q  RI 2 (4.3) Lượng nhiệt làm tăng nhiệt độ làm thay đổi điện trở R dây tóc bóng đèn Kết cường độ dịng điện I chạy qua dây tóc đèn Đ khơng tăng tỉ lệ tuyến tính theo hiệu điện U hai đầu dây tóc đèn nữa, nên đặc tuyến volt-ampere I  f U  dây tóc đèn có dạng đường cong Điện trở dây tóc Vơnfram bóng đèn phụ thuộc nhiệt độ theo hệ thức: Rt  R0    t   t  (4.4) 0 Rt R0 điện trở dây tóc đèn t C C ,   3 -1 7 -2 hệ số nhiệt điện trở vônfram với   4,82.10 K   6, 76.10 K (Vũ Thanh Khiết, 2001) Điện trở R0 dây tóc vonfram bóng đèn nhiệt độ phịng có th ể xác định cách đo điện trở nhiệt độ phịng tP thay vào cơng thức (4.4) Từ ta tính nhiệt độ dây tóc bóng đèn thắp sáng hi ệu (ví dụ 10V) 4.2 Mạch điện xoay chiều RC RL a Mạch điện xoay chiều RC Hình 4.2 Sơ đồ mạch điện RC Đặt hiệu điện xoay chiều u có tần số f vào hai đầu mạch điện gồm tụ điện có điện dung C mắc nối tiếp với điện trở R (Hình 4.2) Giả sử dòng điện xoay chiều i chạy mạch RC thời điểm t có dạng: i  I sin 2 ft  I sin 2 ft (4.5) Khi đó: u  u R  uC (4.6) Vì uR pha với i, cịn uC chậm pha so với i, nên ta viết (David Halliday, 2010):   u  U R sin 2 ft  U 0C sin  2 ft   2  (4.7) b Mạch điện xoay chiều RL Hình 4.3 Sơ đồ mạch điện RL Đặt hiệu điện xoay chiều u có tần số f vào hai đầu mạch điện gồm cuộn dây dẫn có điện trở r hệ số tự cảm L mắc nối tiếp với điện trở R (Hình 4.3) Giả sử dịng điện xoay chiều chạy mạch RL thời điểm t có dạng (David Halliday, 2010): i  I sin 2 ft  I sin 2 ft (4.8) Khi đó: u  u R  ur  u L (4.9) Vì uR ur pha với i , uL nhanh pha  / so với i, nên ta viết:   u  U R sin 2 ft  U r sin 2 f  U L sin  2 ft   2  (4.10) Chuẩn bị Nhiệm vụ học tập 1: Dựa vào giá trị điện áp hiệu dụng, cường độ dòng điện hiệu dụng qua mạch thiết bị điện đo volt kế ampere kế, sinh viên trình bày cách xác định giá trị điện tr R điện dung C tụ điện Sơ đồ mạch điện RC: ∽ A V Dòng điện chạy qua mạch: i  I sin 2 ft Mạch RC, điện áp tức thời hai đầu mạch (giữa hai điểm M N):   u  U R sin 2 ft  U c sin  2 f   2  Trong UR UC giá trị hiệu dụng điện áp hai đầu điện trở R hai đầu tụ điện C: Theo định luật Ohm ta có: I I Tuy nhiên ZC  UR U R R R I UC U  ZC  C ZC I 2 fC vậy: C I 2 fU C Xác định tổng trở mạch điện RC:   u  U R sin 2 ft  U c sin  2 f   2   u  U R sin 2 ft  U c 2cos2 f  U R  U C sin  2 ft    Cần xác định:  Cường độ hiệu dụng I dòng điện chạy qua mạch Ampe kế  Điện áp hiệu dụng hai đầu điện trở UR Volt kế  Điện áp hiệu dụng hai đầu tụ điện UC Volt kế  Tần số dòng điện dùng Dùng cơng thức vừa xây dựng để tìm giá trị R ện dung C tụ Nhiệm vụ học tập 2: Dựa vào giá trị điện áp hiệu dụng cường độ dòng điện hiệu dụng qua mạch thiết bị điện đo volt kế ampere kế, sinh viên trình bày cách xác định giá trị ện trở R độ tự cảm L cuộn dây (giả sử biết giá trị điện trở r cuộn dây) Sơ đồ mạch điện RL: Cường độ dòng điện chạy qua mạch: i  I sin 2 ft Do dây quấn cuộn dây có điện trở r, nên biểu thức ện áp hai đầu m ạch có dạng:   u  U R sin 2 ft  U r sin 2 f  U L sin  2 f   2  Vẽ giản đồ Fresnel: U: hiệu điện hiệu dụng hai đầu mạch Khi mắc volt kế đo hiệu điện hai đầu cuộn dây, s ố ch ỉ volt k ế U rL cho biết: U rL  U r  U L Chia hai vế cho giá trị I đo ampere kế: 2 U rL U U  U    r    L   rL  r  Z L I I  I   I  Nếu biết điện trở r cuộn dây, ta tìm cảm kháng cuộn dây theo công thức: U  Z L   rL   r  I  Độ tự cảm cuộn dây: Z L  2 fL  L  ZL  2 f  U rL   I  r   2 f Xét điện trở R, ta có: R UR I UR giá trị hiệu dụng điện áp hai đầu điện trở mạch RL Cần xác định:  Giá trị hiệu dụng cường độ dòng điện mạch ampe kế  Giá trị hiệu dụng điện áp hai đầu ện trở mạch b ằng Volt kế  Giá trị hiệu dụng điện áp hai đầu cuộn dây Volt kế  Đọc tần số dòng điện, giá trị điện trở cuộn dây Nhiệm vụ học tập 3: Sinh viên quan sát dụng cụ thí nghiệm thực yêu cầu sau đây: Trình bày tóm tắt cơng dụng dụng cụ, thiết bị bảng 4.1 để thực thí nghiệm Tìm hiểu cách sử dụng đồng hồ cách tính sai số dụng cụ Sau trình bày tóm tắt: - Cách tính sai số dụng cụ - Cách sử dụng đồng hồ để đo hiệu điện thế, cường độ dòng điện chiều, xoay chiều đo điện trở - Các lưu ý sử dụng đồng hồ Trình bày tóm tắt cơng dụng dụng cụ, thiết bị bảng 4.1 để thực thí nghiệm Tên dụng cụ Đồng hồ đo điện số Hình ảnh minh họa Công dụng Đo hiệu điện (xoay chiều/ chiều), đo cường độ dòng điện (xoay chiều/ chiều), đo điện trở Bóng đèn dây tóc 12V-3W Dây tóc mẫu cần khảo sát Điện trở R  220 Mẫu điện bảng lắp ráp trở cần đo mạch điện Mắc mạch Tụ điện mẫu RC, mẫu C  20 F cần đo điện dung Mắc mạch Cuộn cảm mẫu Lx RL, mẫu cần đo hệ số tự cảm L Dây dẫn nối mạch điện, dài 60cm Kết nối thiết bị, dụng cụ đọ, nguồn Cung cấp Nguồn điện đa 12V3A/AC-DC dòng điện chiều xoay chiều cho mạch Tìm hiểu cách sử dụng đồng hồ cách tính sai số dụng cụ Sau trình bày tóm tắt: - Cách sử dụng đồng hồ lưu ý sử dụng đồng hồ: Cẩn thận trọng sử dụng thang đo hiệu điện thế, dòng điện nhỏ (thang 200mV, 2mA ) Nếu sơ ý để hiệu điện dòng điện lớn giới hạn thang đo này, gây cháy hỏng đồng hồ Vì vậy, thiết phải tuân thủ quy tắc sau đây: + Không chuyển đổi thang đo có điện đặt đầu vào đồng hồ + Không đặt điện áp dòng điện vượt giới hạn thang đo Khi chưa biết giá trị đại lượng đo, ta phải đo thăm dị với thang đo lớn Sau đó, ngắt đồng hồ khỏi mạch điện, vặn núm chuyển macḥ X để chọn thang đo thích hợp + Để đo dòng điện nhỏ 200mA ta dùng hai dây đo cắm vào lỗ COM lỗ “mA” đồng hồ Hai đầu lại dây đo mắc nối tiếp với đoạn mạch Chuyển mạch chọn thang đo X đặt “200” dải đo dòng điện chiều (kí hiệu A=), dải thang đo dịng điện xoay chiều (kí hiệu A~) tùy theo đại lượng cần đo + Sau lỗ cắm “mA”, đồng hồ có cầu chì bảo vệ: dòng điện đo vượt giới hạn thang đo, cầu chì bị cháy đứt thang đo dòng nhỏ ngưng hoạt động cầu chì thay Điều tai hại tương tự xảy ta mắc ampe kế song song với hai đầu đoạn mạch có hiệu điện khác không Hãy thận trọng sử dụng thang đo dịng, khơng để cháy cầu chì! Để đo dịng điện có cường độ I > 200mA, ta cắm hai dây đo vào lỗ “COM” “10A” đồng hồ, mắc hai đầu dây lại nối tiếp với mạch điện cần đo Vặn núm chọn thang đo X đến vị trí 10 dải thang đo dịng chiều (A=), vị trí 10 thang đo dịng xoay chiều (A~) Sau lỗ “10A” khơng có cầu chì bảo vệ, nên xảy đoản mạch thường gây cháy nổ mạch ngồi nguồn điện Tóm lại, chọn thang đo không nhầm lẫn thao tác đo dòng hai yếu tố cần thiết để bảo vệ đồng hồ Để đo hiệu điện chiều, xoay chiều, đo điện trở, ta cắm hai dây đo vào hai lỗ “COM” “V  ” đồng hồ, mắc hai đầu dây lại song song với đoạn mạch cần đo Vặn núm chọn thang đo X đến vị trí thích hợp dải thang đo hiệu điện chiều (V=), xoay chiều (V~) , thang đo điện trở (  ) thích hợp - Cách xác định sai số tuyệt đối đại lượng đo trực tiếp thiết bị đo số: Đồng hồ dụng cụ đo điện đa số loại 1/2 digit có 2000 điểm đo (từ đến 1999) Giả sử chuyển mạch chọn thang đo X đặt dải đo hiệu điện chiều (V=) vị trí 20 (ứng với giới hạn đo U max = 20V) Nếu giá trị hiệu điện đo hiển thị đồng hồ U, sai số dụng cụ phép đo U tính theo cơng thức: U    %  U  n.  độ phân giải thang đo, tính giá trị điểm đo:    % 20V  0, 01V 2000 cấp xác thang đo (tính sai số tỉ đối giới hạn thang đo) n = 1, 2, số nguyên Giá trị  , n nhà sản xuất qui định cho thang đo, ghi tài liệu hướng dẫn sử dụng đồng hồ Với thang đo dòng khác, sai số tính tương tự - Sai số tỉ đối điện dung C C Ta có: I 2 f U C Lấy ln hai vế: ln C  ln I  ln  ln   lnf  ln U C Lấy vi phân hai vế thay “d” “  ”, đổi dấu “–” thành “+”, ta được:   C  C I  f U C      f C I UC C    C  C  0.001   3.142 - Sai số tỉ đối hệ số tự cảm Độ tự cảm cuộn dây:  U Z L   rL  I  Lấy ln hai vế ZL  1/ 2     r        2 2 1 ln U rL  I r  ln I    Lấy vi phân hai vế thay “d” “  ”, đổi dấu “–” thành “+”, ta được:   ZL   Z L  ZL  Z L  Z L  Z L  L U rL I  I r ZL  L Z L    f    L     2 f  f L ZL  I U rL U rL  U rL I  I r.r I U rL U rL  U rL I  I r.r U rL I  I r  L  L  L     f   f ... hiệu điện (xoay chiều/ chiều) , đo cường độ dòng điện (xoay chiều/ chiều) , đo điện trở Bóng đèn dây tóc 12V-3W Dây tóc mẫu cần khảo sát Điện trở R  220 Mẫu điện bảng lắp ráp trở cần đo mạch điện. .. (4.7) b Mạch điện xoay chiều RL Hình 4.3 Sơ đồ mạch điện RL Đặt hiệu điện xoay chiều u có tần số f vào hai đầu mạch điện gồm cuộn dây dẫn có điện trở r hệ số tự cảm L mắc nối tiếp với điện trở... Sơ đồ mạch điện RC Đặt hiệu điện xoay chiều u có tần số f vào hai đầu mạch điện gồm tụ điện có điện dung C mắc nối tiếp với điện trở R (Hình 4.2) Giả sử dịng điện xoay chiều i chạy mạch RC thời