Lý thuyết và bài tập Dòng điện xoay chiều

Lý thuyết và bài tập Dòng điện xoay chiều

Vật lí 12 - Điện xoay chiều CHƢƠNG III :ĐIỆN XOAY CHIỀU I LÝ THUYẾT GIÁO KHOA: ĐẠI CƢƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Hiệu điện dao động điều hòa :  Quay khung dây kim loại có diện tích S có N vòng dây, quanh trục đối xứng từ trường B với vận tốc góc  không đổi Từ thông qua khung :  =NBS cost =0 cost với : 0 = NBS Suất điện động cảm ứng : e =‘ = .0 sint =E0.sint với E0 = .0 =.NBS Cuộn dây khép kín có R i= NBS NBS sin t ; I0= R R Vậy, khung dây xuất suất điện động biến thiên điều hòa Dòng điện xoay chiều : HĐT xoay chiều : u = U0 cost Dòng điện xoay chiều : i = I0cos(t +  )  Dòng điện mô tả định luật dạng sin – Biến thiên điều hoà theo t Cường độ hiệu dụng :  Cường độ hiệu dụng dòng điện xoay chiều cường độ dòng điện không đổi chúng qua điện trở, thời gian chúng tỏa nhiệt lượng I=  I0 U= U0 vaø E= E0 Khi dùng ampe kế, vôn kế đo dòng điện xoay chiều ta đo giá trị hiệu dụng -DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU TRO ĐOẠN MẠCH CHỈ CÓ ĐIỆN TRỞ THUẦN, CUỘN CẢM HOẶC TỤ ĐIỆN Mạch có điện trở : Dòng điện qua mạch : i = I0 cost => u = U0 cost với I0 = U0 R  Mạch có R hiệu điện đầu đoạn mạch biến thiên điều hòa pha với dòng điện  UR  Giản đồ vectơ : Đoạn mạch có tụ điện : o * Dung khaùng ZC : ZC = C : Điện dung tụ ( F ) 1F = 10-6 F C  I + Tụ điện không cho dòng điện không đổi qua + Tụ điện có tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều ( gọi dung kháng ) Trang Vật lí 12 - Điện xoay chiều * Quan hệ u i : Dòng điện qua mạch : i = I0 cost => uC = U0C cos(t -  ) với u0C = I0ZC * Kết luận :  Mạch có tụ điện với đện dung C, hiệu điện đầu đoạn mạch biến thiên điều hòa trễ pha dòng điện góc  Giản đồ vectơ quay :  O  I  UC Maïch có cuộn dây : * Cảm kháng ZL : ZL = L. L : Độ tự cảm cuộn dây ( H )  : Tần số dòng điện + Cuộn cảm có tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều (Gọi cảm kháng ) Quan hệ u i :  Dòng điện xoay chiều qua maïch i = I0 cost => uL =U0L cos(t + với  ) U0L = I0 ZL * Kết luận :  Mạch có cuộn dây có độ tự cảm L, hiệu điện đầu đoạn mạch biến thiên điều hòa nhanh pha dòng điện góc  Giản đồ vectơ quay  UL  I -0 DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU TRONG ĐOẠN MẠCH KHÔNG PHÂN NHÁNH Dòng điện hiệu điện : i  I0 cos t  u  U0 cos(t  ) u  U0 cos t  i  I0 cos(t  ) với U0 = I0 Z Tính tổng trở Z : Z  R  Z L  Z C  Tính góc lệch pha  : tg = ZL  Z C R NHẬN XÉT :  Khi ZL > ZC : Mạch có tính cảm kháng, u nhanh pha i góc   Khi ZL < ZC : Mạch có tính dung kháng, u chậm pha i góc   Khi ZL = ZC : Mạch cộng hưởng, u pha với i Trang Vật lí 12 - Điện xoay chiều Hiện tượng cộng hưởng đoạn mạch RLC : 1 Khi L  2  C LC U - Dòng điện qua mạch có giá trị cực đại I  R - Hiệu điện pha với cường độ dòng điện -CÔNG SUẤT DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Đặt hiệu điện xoay chiều đầu đoạn mạch Dùng ampe kế, vôn kế Oát kế để đo U,I P tiêu thụ mạch Thực nghiệm cho thấy : P = U.I.cos với cos = R Z Ý nghóa hệ số công suất :    cos =1   =0 : Mạch có R mạch cộng hưởng : P=U.I  cos =0   = : Mạch có L C L,C nối tiếp : P =   0< cos N’ U > U’ : Máy hạ  Nếu N < N’ U < U’ : Máy tăng Tỉ số hiệu điện hai đầu cuộn thứ cấp sơ cấp tỉ số vòng dây hai cuộn dây U' N' I   U N I' Dùng máy biến làm hiệu điện tăng lần cường độ dòng điện giảm nhiêu lần ngược lại Sự truyền tải điện : R Công suất hao phí P biến thành nhiệt : P = R.I2 = P2 U Như vậy, tăng U lên n lần P giảm n2 lần Để giảm hao phí P, người ta dùng máy biến tăng U trước truyền -CÁCH TẠO RA DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ :  Dùng diod mắc theo sơ đồ sau :  Giả sử nửa chu kỳ đầu VA > VB : Dòng điện từ A  diod Đ2  C điện trở R D  diod Đ4 B  Nửa chu kỳ sau VA < VB : Dòng điện từ B  diod Đ3 C điện trở R D diod Đ1  A Trang Vật lí 12 - Điện xoay chiều Nguyên tắc hoạt động máy phát điện chiều :  Nguyên tắc hoạt động : dựa tượng cảm ứng điện từ A D1 D D2 B  Cấu tạo máy phát điện chiều tương tự máy phát điện xoay chiều pha D4 D3  Đối với máy phát điện chiều, người ta dùng hệ thống bán khuyên có chổi quét tì vào để lấy điện  Để dòng điện đỡ nhấp nháy, người ta bố trí nhiều cuộn dây đặt lệch nối tiếp -II.TĨM TẮT CƠNG THỨC : Các biểu thức u – i + Biểu thức suất điện động xoay chiều :e = E0 cos(  t + e ) + Biểu thức cường độ dòng điện : i = I0 cos(  t + i ) (A) Với I0 cường độ dòng điện cực đại,  tần số góc, i pha ban đầu Lưu ý * Mỗi giây đổi chiều 2f lần   * Nếu pha ban đầu i =  i = giây đổi chiều 2f-1 lần 2 + Biểu thức hiệu điện : u = U0 cos(  t + u ) (A) Với U0 hiệu điện cực đại,  tần số góc, u pha ban đầu U I L C R + Các giá trị hiệu dụng : U= I= 2 A B M N + Xét đoạn ,mạch R, L , C nối tiếp:  2 UL - Tần số góc:    2 f ; T - Cảm kháng: Z L  .L ; Dung kháng ZC     C U L  UC U 2 - Tổng trở mạch : Z  ( R  r )  ( Z L  ZC ) ;  O  2 i - Hiệu điện hiệu dụng: U  (U R  U r )  (U L  U C ) UR U UR UL Ur UC     Z R ZL r ZC Z  ZC - Độ lệch pha u – i: tan   L (trong   u  i ) Rr M¹ch chØ cã R M¹ch chØ cã L - Tổng trở mạch : - Tổng trở mạch : Z  Z L  .L ; Z R R - Hiệu điện hiệu dụng: - Hiệu điện hiệu dụng: U  U L  I Z L U  U R  I R U U - Định luật ôm: I  L - Định luật ôm: I  R ZL R - Độ lệch pha u – i: - Độ lệch pha u – i: - Định luật ôm: I   UC M¹ch chØ cã C - Tổng trở mạch : ; Z  ZC  C - Hiệu điện hiệu dụng: U  UC  I ZC U - Định luật ôm: I  C ZC Trang C Vật lí 12 - Điện xoay chiều   u  i tan      R tan   Z L  ZC Rr M¹ch chØ cã R-L - Tổng trở mạch : Z  ( R  r )2  Z L ; - Hiệu điện hiệu dụng: U  (U R  U r )2  U L - Định luật ôm: U UR UL Ur I    Z R ZL r - Độ lệch pha u – i: Z tan   L     Rr (trong   u  i )   u  i ZL       Z  ZC tan   L Rr tan   M¹ch chØ cã R-C - Tổng trở mạch : Z  R  ZC ; - Hiệu điện hiệu dụng: U  U R  UC - Định luật ôm: U U U I  R  C Z R ZC - Độ lệch pha u – i: Z tan   C     (trong R   u  i ) - Độ lệch pha u – i:   u  i Z  tan   C       Z L  ZC tan   Rr M¹ch chØ cã L-C - Tổng trở mạch : Z  r  ( Z L  ZC )2 ; - Hiệu điện hiệu dụng: U  U r  (U L  UC )2 - Định luật ôm: U UL Ur UC I    Z ZL r ZC - Độ lệch pha u – i: Z  ZC (trong tan   L r   u  i ) Một số ý làm tập viết phƣơng trình hiêu điện hay cƣờng độ dịng điện tức thời đoạn mạch RLC + Khi biết biểu thức dòng điện, viết biểu thức hiệu điện ta làm sau: Tìm tổng trở mạch Tìm giá trị cực đại U0 = I0.Z Tìm pha ban đầu hiệu điện thế, dựa vào công thức:Độ lệch pha u – i: Z  ZC   u  i tan   L Rr + Khi biết biểu thức dòng điện, viết biểu thức hiệu điện ta làm sau: Tìm tổng trở mạch Tìm giá trị cực đại I0 = U0/Z Z  ZC Tìm pha ban đầu cường độ dịng điện , dựa vào công thức: tan   L Rr   u  i + Cường độ dòng điện mạch mắc nối tiếp điểm nên ta có: U U U U U I  R  L  r  C Z R ZL r ZC + Số ampe kế, vôn kế cho biết giá trị hiệu dụng hiệu điện cường độ dòng điện + Nếu điện trở ghép thành ta có: Ghép nối tiếp điện trở Ghép song song điện trở 1 1     R  R1  R2   Rn R R1 R2 Rn Ta nhận thấy điện trở tương đương mạch Ta nhận thấy điện trở tương đương mạch lớn điện trở thành phần Nghĩa : nhỏ điện trở thành phần Nghĩa : Rb > R1, R2… Rb < R1, R2 Ghép nối tiếp tụ điện Ghép song song tụ điện 1 1 C  C1  C2   Cn     C C1 C2 Cn Ta nhận thấy điện dung tương đương mạch lớn điện dung tụ thành Ta nhận thấy điện dung tương đương mạch Trang Vật lí 12 - Điện xoay chiều nhỏ điện dung tụ thành phần Nghĩa : Cb < C1, C2… phần Nghĩa : Cb > C1, C2… Hiện tƣợng cộng hƣởng điện + Khi có tượng cộng hưởng điện ta có: I = I max = U/R mạch có ZL = ZC hay  2LC = 1, hiệu điện pha với dòng điện mạch, UL = UC U=UR; hệ s cụng sut cos =1 3.Công suất đoạn m¹ch xoay chiỊu R VËy: P = UIcos ; Cos  = Phơ thc vµo R, L, C vµ f Z Cơng suất dịng điện xoay chiều R,L,C,=const, f thay đổi L,C,  =const, R thay R,C,  =const, Lthay R,L,  =const, C thay đổi đổi đổi Pmax = U2 U2  2R Z L  ZC Pmax = Khi : R  Z L  Z C U2 R Khi : Z L  ZC  L  Dạng đồ thị sau: Pmax =  2C Pmax Pmax Pmax = Khi : Z L  Z C  C  Dạng đồ thị sau: P U2 R Khi : Z L  Z C  f   L Dạng đồ thị sau: P Pmax U2 R 2 LC Dạng đồ thị sau: P Pmax P P