lý thuyết dòng điện xoay chiều

Tài liệu tham khảo vật lý 12 - dòng điện xoay chiều. Tài liệu cung cấp một số dữ liệu về dòng điện xoay chiều, có thể bổ trợ một số năng lực của học sinh.

Chương III: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

I/ Mạch điện xoay chiều:

1/ Định nghĩa, biểu thức của cường độ dòng điện và điện áp tức thời:

- Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hoà theo thời gian:

i = I0cos(ωt + φi )

i là giá trị cường độ dòng điện tại thời điểm t = cường độ tức thời

I0 > 0 là giá trị cực đại của i = Cường độ cực đại

ω > 0 là tần số góc của dòng điện

(ωt + φi) là pha của i tại thời điểm t

φi là pha ban đầu của cường độ dòng điện

- Điện áp xoay chiều (hay hiệu điện thế xoay chiều) biến thiên điều hòa theo thời gian:

u = U0cos(ωt + u)

u là giá trị điện áp tại thời điểm t: điện áp tức thời

U0 >0 là giá trị cực đại của u: Điện áp cực đại

ω > 0 là tần số góc

(ωt + φu ) là pha của u tại thời điểm t

φu là pha ban đầu của điện áp u

- Độ lệch pha giữa điện áp u và cường độ dòng điện i:  = u  i

Thường gặp:

- Nếu i = I 0 cosωt thì u = U 0 cos(ωt +  )

- Nếu u = U 0 cosωt thì i = I 0 cos(ωt   )

Với  > 0: u nhanh pha hơn i ( i chậm pha hơn u )

Với  < 0: u chậm pha hơn i ( i nhanh pha hơn u )

Với  = 0: u cùng pha với i

- Chu kì của dòng điện xoay chiều: T = 2



- Tần số dòng điện: f = 1

T 2/ Định nghĩa cường độ hiệu dụng I của dòng điện xoay chiều: Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là đại lượng có giá trị bằng cường độ của một dòng điện không đổi, sao cho khi đi qua cùng một điện trở R thì công suất tiêu thụ trong R bởi dòng điện không đổi ấy bằng công suất trung bình tiêu thụ trong R bởi dòng điện xoay chiều nói trên

+ Giá trị hiệu dụng bằng giá trị cực đại chia cho 2

Suất điện động hiệu dụng E 0

E 2

 ; Điện áp hiệu dụng U 0

U 2

 ;

Cường độ dòng điện hiệu dụng I 0

I 2



3/ Các mạch điện xoay chiều chỉ chứa R, hoặc cuộn thuần cảm L, hoặc tụ điện C:

Mạch Các công thức tính

điện trở, giản đồ

Fresnel

Độ lệch pha giữa u và i Biểu thức u & i

Định luật Ohm

Công suất & Hệ

số công suất

R

 = 0 : u cùng pha với i + Biểu thức u & i

Nếu u = U0cost thì i = I0cost

U I R



P = UI

P = I2R cos = 1

L

ZL = L: Cảm kháng

 =

2



: u luôn luôn nhanh pha hơn i một lượng

2



+ Biểu thức u & i

- Nếu u = U0cost thì i = I0cos(t 

2



)

- Nếu i = I0cost Thì u = U0cos(t +

2



)

L

U I Z



P = 0 cos = 0

C

ZC = 1

C

 Dung kháng

 = 

2



: u luôn luôn chậm pha hơn i một lượng

2



+ Biểu thức u & i

- Nếu u = U0cost thì i = I0cos(t +

2



)

- Nếu i = I0cost thì u = U0cos(t 

2



)

C

U I Z

cos = 0

4/Các dạng mạch mắc nối tiếp:

C

R

U  I 

I 

L

U 

I 

C

U 

Mạch Các công thức tính

tổng trở và điện áp,

giản đồ Fresnel

Độ lệch pha giữa u và i Biểu thức u & i

Đ/L Ohm Công suất & Hệ

số công suất

R

nt

L

2 2

L

Z R

Z 

( ZL = L: cảm kháng)

2 2 2

R L

U U U

tg

R

Z L





 > 0 : u nhanh pha hơn i

+ Biểu thức u & i

- Nếu u = U0cost thì i = I0cos(t  )

- Nếu i = I0cost thì u = U0cos(t + )

Z

U

I 

P = UIcos

P = I2R cos = R/Z

R

nt

C

2 2

C

Z R

Z  

ZC = 1

C

 Dung kháng

2 2 2

R C

U U U

tg

R

Z C







   : u luôn luôn chậm pha hơn i

+ Biểu thức u & i

- Nếu u = U0cost thì i = I0cos(t  )

- Nếu i = I0cost thì u = U0cos(t + )

Z

U

I 

P = UIcos

P = I2R cos = R/Z

L

nt

C

2

) (Z L Z C

Z  

= Z  L Z C

ZL > ZC u nhanh pha hơn i một lượng /2

ZL < ZC  u chậm pha hơn i một lượng /2

Nếu u = U0cost thì i = I0cos(t  /2)

Nếu i = I0cost thì u = U0cos(t 

/2)

Z

U

cos = 0

R

U 

C

L

U 

C



C

U 

U 

L

U 

R

U 

L C

U U U

R

nt

L

nt

C

2

2 (Z L Z C)

R

Z   

U2 U R2  (U L U C) 2

R

Z Z





ZL > ZC: u nhanh pha hơn i một lượng là 

ZL < ZC: u chậm pha hơn i một lượng là 

ZL = ZC: u cùng pha với i

Nếu u = U0sint thì i = I0sin(t  )

Nếu i = I0sint thì u = U0sin(t + )

Z

U

P = I2R cos = R/Z

R

nt

(L,r)

nt

C

2

2 ( ) )

Z    

2 ( R r) 2 ( L C) 2

r R

Z Z









ZL > ZC :u nhanh pha hơn i

ZL < ZC : u chậm pha hơn i

ZL = ZC: u cùng pha với i

Nếu u = U0sint thì i = I0sin(t  )

Nếu i = I0sint thì u = U0sin(t + )

Z

U

I 

P = UIcos

P = I2R cos = R  Z r

U 

L

U 

R

U 

U   U 

C

U 

U 

L

U 

R

U 

U   U 

C

U 

Lưu ý các trường hợp mạch ghép R hoặc L hoặc C:

ZC = ZC1 + ZC2

ZL = ZL1 + ZL2

5/ Hiện tượng cộng hưởng:

Khi R không đổi, nếu cường độ dòng điện trong mạch đạt giá trị cực đại thì trong

mạch có sự cộng hưởng

+ Điều kiện để có cộng hưởng :  2 LC1 hay ZL = ZC

+ Khi có cộng hưởng thì :

- Tổng trở Zmin = R

- Cường độ dòng điện trong mạch đạt giá trị cực đại Imax = U

R ,

 công suất điện tiêu thụ của mạch đạt cực đại P max U2

R



-  = 0: Điện áp u hai đầu mạch cùng pha với cường độ dòng điện i

- ULUC  0, UL = UC, UR = U

II/Sản xuất và truyền tải điện năng:

1/ Máy biến áp

a/ Định nghĩa: Máy biến áp là những thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều mà không làm thay đổi tần số

b/Nguyên tắc hoạt động: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

c/ Cấu tạo: Máy biến áp gồm cuộn sơ cấp có N1 vòng dây, cuộn thứ cấp có N2 vòng dây, được quấn trên cùng một lõi biến áp (khung sắt non pha silic)

d/ Sự biến đổi điện áp và cường độ dòng điện:

+ Nếu điện trở của các cuộn dây có thể bỏ qua thì điện áp hiệu dụng ở hai đầu mỗi cuộn dây tỉ lệ với số vòng dây: 2 2

U N

- 2 1

N

N > 1: Máy tăng áp; 2

1

N

N < 1: Máy hạ áp

+ Nếu điện năng hao phí không đáng kể thì cường độ dòng điện qua mỗi cuộn dây tỉ lệ nghịch với điện áp hiệu dụng ở hai đầu mỗi cuộn: 2 1

U I

U I + Cuộn dây nào có dòng điện có cường độ lớn hơn thì tiết diện dây của cuộn

đó lớn hơn

2/ Truyền tải điện năng:

R

2

+ Công suất hao phí trên đường dây tải điện là 2 2

P

P R (U cos )

 

 Trong đó P là công suất phát từ nhà máy; U là điện áp hiệu dụng từ nhà máy; R là điện trở của dây tải điện

+ Biện pháp giảm hao phí: Tăng hiệu điện thế U

2 Máy phát điện xoay chiều

a/ Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

b/ Cấu tạo: có hai bộ phận chính là phần ứng và phần cảm

+ Phần cảm : tạo ra từ thông biến thiên bằng các nam châm quay

+ Phần ứng : gồm các cuộn dây giống nhau cố định trên một vòng tròn, nơi xuất hiện suất điện động cảm ứng

Suất điện động của máy phát điện được xác định theo định luật cảm ứng điện từ:

dt

d

e    + Khi rôto quay, từ thông qua mỗi cuộn dây của stato biến thiên tuần hoàn với tần số f = p.n

Trong đó p là số cặp cực của nam châm, n là tốc độ quay của rôto tính bằng số vòng/giây

c/ Máy phát điện xoay ba pha là máy tạo ra 3 suất điện động xoay chiều hình sin cùng tần số, cùng biên độ và lệch pha nhau 1200 (2

3



rad) từng đôi một

1 2

3

e E 2cos t

2

e E 2cos( t- )

3 2

e E 2cos( t+ )

3



















d/ Cách mắc mạch điện xoay chiều ba pha:

+ Cách mắc hình sao:

+ Điện áp giữa dây pha với dây trung hoà gọi là điện áp pha, ký hiệu Up

+ Điện áp giữa hai dây pha với nhau gọi là điện áp dây, ký hiệu Ud

+ Liên hệ giữa điện áp dây và điện áp pha:

- Mắc hình sao: U d  3U p

- Măc tam giác: U d  U p

A1

A2

A3

' 1

A

' 2

3 A

B1

B2B3

' 1

Dây pha 1

Dây pha 2

Dây pha 3

Ud Up

A1

A2

A3

' 1

A

' 2 A

' 3 A

B1

B2

B3

' 1

B

' 2 B

' 3 B Dây pha 1

Dây pha 2 Dây pha 3

3 Động cơ điện xoay chiều 3 pha.

a/ Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện không đồng bộ ba pha: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và từ trường quay

b/ Cấu tạo: Mỗi động cơ điện đều có hai bộ phận chính: phần cảm (rôto) là khung dây dẫn quay dưới tác dụng của từ trường quay; phần ứng (stato) gồm các cuộn dây có dòng điện xoay chiều tạo nên từ trường quay

C/ Hoạt động: Khi cho dòng 3 pha đi vào 3 cuộn dây thì chúng tạo ra từ trường quay tác dụng vào rôto làm cho rôto quay theo với tốc độ nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường Chuyển động quay của rôto được sử dụng để làm quay các máy khác