Mạch điện xoay chiều RLC mắc nối tiếp doc

MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU RLC MẮC NỐI TIẾP Các bài tập về dòng điện xoay chiều trong khuôn khổ thi ĐH -Dạng 1 đơn giản nhất: +Viết biều thức các đại lượng. +Tính các giá trị hiệu dụng,tìm độ lệch pha -Dạng 2 cần sự biến đổi nhiều hơn một chú +Dựa vào những điều kiện sẵn có của đề bài tìm ra các đại lượng tương ứng như tìm giá trị R,L,C,các hiệu điện thế thành phần +Tính công suất ,hệ số công suất của các mạch thành phần -Dạng 3:Khó hơn một chút + Các bài toán cực trị khi các đại lượng R,L C,f thay đổi! + Các đẳng thức liên quan giữa R,Z L ,Z c Dạng 1 ,dạng 2 thì các bạn có thể tự làm đc!Còn dạng 3 thì các bạn cùng mình xây dựng lại một số công thức ,đẳng thức ^^.Chú ý phương pháp dùng giản đồ vecto,sử dụng định lý Vieet ,đồ thị,bất đẳng thức (thông thường là Cauchy) Một số công thức áp dụng nhanh cho trắc nghiệm ( dạng hỏi đáp) Dạng 1: Cho R biến đổi Hỏi R để P max , tính P max , hệ số công suất cosφ lúc đó? Đáp : R = │Z L - Z C │, 2 2 ,cos 2 2 Max U P R ϕ = = Dạng 2: Cho R biến đổi nối tiếp cuộn dây có r Hỏi R để công suất trên R cực đại Đáp : R 2 = r 2 + (Z L - Z C ) 2 Dạng 3: Cho R biến đổi , nếu với 2 giá trị R 1 , R 2 mà P 1 = P 2 Hỏi R để P Max Đáp R = │Z L - Z C │= 1 2 R R Dạng 4: Cho C 1 , C 2 mà I 1 = I 2 (P 1 = P 2 ) Hỏi C để P Max ( CHĐ) Đáp 1 2 2 C C c L Z Z Z Z + = = Dạng 5: Cho L 1 , L 2 mà I 1 = I 2 (P 1 = P 2 ) Hỏi L để P Max ( CHĐ) Đáp 1 2 2 L L L C Z Z Z Z + = = Dạng 6: Hỏi với giá trị nào của C thì điện áp hiệu dụng trên tụ điện U C cực đại Đáp Z c = 2 2 L L R Z Z + , (Câu hỏi tương tự cho L) Dạng 7 : Hỏi về công thức ghép 2 tụ điện, ghép 2 cuộn dây , ghép 2 điện trở Đáp : Ghép song song C = C 1 + C 2 ; C > C 1 , C 2 Ghép nối tiếp 1 2 1 1 1 C C C = + ; C < C 1 , C 2 Trường hợp ngược lại cho tự cảm L và điện trở R Dạng 8: Hỏi điều kiện để φ 1 , φ 2 lệch pha nhau π /2 (vng pha nhau) Đáp Áp dụng cơng thức tan φ 1 .tanφ 2 = -1 Dạng 9 : Hỏi Điều kiện để có cộng hưởng điện mạch RLC và các hệ quả Đáp : Điều kiện Z L = Z c → LCω 2 = 1 Hệ quả : Khi có cộng hưởng điện, trong mạch xảy ra các hiện tượng đặc biệt như: • Tổng trở cực tiểu Z min = R → U = U R ; U L = U c • Cường độ hiệu dụng đạt giá trò cực đại I max = U R • Công suất cực đại P max = UI = 2 U R • Cường độ dòng điện cùng pha vối điện áp, φ = 0 • Hệ số công suất cosφ = 1 Dạng 10: Hỏi khi cho dòng điện khơng đổi trong mạch RLC thì tác dụng của R, Z L , Z C ? Đáp : I = U/R Z L = 0 Z C = ∞ 1. Các hệ quả của hiện tượng cộng hưởng điện: - Hiệu điện thế u AB cùng pha với cường độ dòng điện i - Hệ số Cơng suất của mạch đạt giá trị cực đại 1= ϕ Cos => P=P max =UI - Tổng trở bằng điện trở thuần: Z=R - u R cùng pha với u AB - Số chỉ của Ampe kế chỉ giá trị cực đại R U I = 2. Các sự thay đổi liên quan đến hiện tượng cộng hưởng điện: a. Giữ ngun R,L,C thay đổi tần số góc ω ( Dẫn tới thay đổi tần số f) Hiệu điện thế u AB cùng pha với cường độ dòng điện i 0= ϕ ; I=I max ……… Vì lúc này ta có 1== Z R Cos ϕ vậy R=Z =>Z L -Z C =0 hay Z L =Z C b. Giữ ngun các giá trị L,R, ω thay đổi C để I=I max ( Số chỉ của ampe kế đạt giá trị cực đại) Ta có 22 ) 1 ( ω ω C LR U I −+ = ; do U=const nên I=I max khi ω ω C L 1 = => cộng hưởng điện c. Giữ ngun các giá trị C,R, ω thay đổi L để I=I max ( Số chỉ của ampe kế đạt giá trị cực đại) Ta có 22 ) 1 ( ω ω C LR U I −+ = ; do U=const nên I=I max khi ω ω C L 1 = => cộng hưởng điện. d. Giữ nguyên các giá trị C,R, ω thay đổi L để hiệu điện thế giữa hai bản của tụ đạt giá trị cực đại: U C =U Cmax Ta có 22 )( CL CCC ZZR U ZIZU −+ == do U=const và Z c =const nên để U C =U Cmax Thì ta phải có Z L -Z C =0 => có cộng hưởng điện e. nguyên các giá trị L,R, ω thay đổi C để hiệu điện thế giữa hai hai đầu cuộn dây thuần cảm đạt giá trị cực đại: U L =U Lmax Ta có 22 )( CL CLL ZZR U ZIZU −+ == do U=const và Z L =const nên để U L =U Lmax Thì ta phải có Z L -Z C =0 => có cộng hưởng điện 3. Các sự thay đổi không liên quan đến hiện tượng cộng hưởng điện: a. Mạch điện RLC không phân nhánh có L,C, ω không đổi. Thay đổi R để công suất tiêu thụ trên mạch đạt giá trị cực đại, số chỉ của Ampe kế cực đại …. Phân tích: Khi L,C, ω không đổi thì mối liên hệ giữa Z L và Z C không thay đổi đổi do đó sự thay đổi của R không gây ra hiện tượng cộng hưởng Chứng minh: Ta có P=RI 2 =R 22 2 )( cL ZZR U −+ = R ZZ R U CL 2 2 )( − + , Do U=Const nên để P=P max ta phải có R ZZ R CL 2 )( − + đạt giá trị min Áp dụng bất dẳng thức Cosi cho 2 số dương R và (Z L -Z C ) 2 ta được: R ZZ R CL 2 )( − + R ZZ R CL 2 )( .2 − ≥ = CL ZZ −2 Vậy giá tri min của R ZZ R CL 2 )( − + là CL ZZ −2 lúc đó dấu “=” của bất đẳng thức xảy ra nên ta có R= CL ZZ −  P=P max = CL ZZ U −2 2 và I=I max = 2 CL ZZ U − . b.Mạch điện RLC không phân nhánh có R,C, ω không đổi. Thay đổi L để hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai đầu cuộn dây đạt giá trị cực đại. Xác định giá trị của U Lmax và giá trị của L. L U 0 AB U 0 R U 0 β α LC U 0 C U 0 Phân tích: Ta có 22 )( CL LLL ZZR U ZIZU −+ == . Do U L không những phụ thuộc vào Z mà còn phụ thuộc vào Z L nghĩa là U L = f(L) nên trong trường hợp này nếu mạch có cộng hưởng thì U L cũng không đạt giá trị cực đại. Chứng minh: Ta biểu diễn các hiệu điện thế bằng giản đồ véc tơ như hình vẽ Theo định lý hàm số sin ta có ABL U Sin U Sin 00 αβ = => α β Sin U SinU AB L 0 0 .= .=> α β Sin U SinU oAB L .= Mặt khác ta lại có 22 0 0 C RC ZR R U R U Sin + == α =const và U AB = const nên để U L =U Lmax thì 1= β Sin => 0 90= β Vậy U Lmax = R ZR U Sin U C AB AB 22 + = α Theo hình vẽ ta có 22 0 0 C C RC C ZR Z U U Cos + == α (1) Và L C L RC Z ZR U U Cos 22 0 0 + == α (2) Từ (1) và (2)=> C C L Z ZR Z 22 + = => C C Z ZR L ω 22 + = b.Mạch điện RLC không phân nhánh có R,C, ω không đổi. Thay đổi C để hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai bản tụ đạt giá trị cực đại. Xác định giá trị của U Cmax và giá trị của C. Phân tích: Ta có 22 )( CL CCC ZZR U ZIZU −+ == . Do U C không những phụ thuộc vào Z mà còn phụ thuộc vào Z C nghĩa là U C = f(C) nên trong trường hợp này nếu mạch có cộng hưởng thì U L cũng không đạt giá trị cực đại. Chứng minh: Ta biểu diễn các hiệu điện thế bằng giản đồ véc tơ như hình vẽ Theo định lý hàm số sin ta có ABC U Sin U Sin 00 αβ = => α β Sin U SinU AB C 0 0 .= .=> α β Sin U SinU AB C .= α LR U 0 R U 0 β AB U 0 C U 0 Mặt khác ta lại có 22 0 0 L LR ZR R U R U Sin + == α =const và U AB = const nên để U C =U Cmax thì 1= β Sin => 0 90= β Vậy U Cmax = R ZR U Sin U L AB AB 22 + = α Theo hình vẽ ta có 22 0 0 L C RC C ZR Z U U Cos + == α (1) Và L L L RL Z ZR U U Cos 22 0 0 + == α (2) Từ (1) và (2)=> L C C Z ZR Z 22 + = => 22 L L ZR Z C + = ω III.MỘT SỐ CÂU HỎI KIỂM TRA TRẮC NGHIỆM ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI Câu 1 : Cho R = 100 Ω ; 3 2 L = H và uAB = 141sin100πt (V). Cho C thay đổi tìm số chỉ cực đại trên vôn kế? A) 100V . B) 150V. C) 289V . D) 250V. Phân tích: - Số chỉ của Vôn Kế (V) là giá trị hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai bản tụ =>Đây là loại bài toàn thay đổi giá trị của C để U C =U Cmax Giải: Ta có Z L = )(350100 2 3 Ω== ππω L U cmax = = + = + 100 )350(100 2 141 22 22 π R ZR U L AB V289 Chọn đáp án C Câu 2:Cho m¹ch ®iÖn nh h×nh vÏ. u AB = 120 2 sin100πt (V). R =15 Ω ; L = 2 25 π H; C lµ tô ®iÖn biÕn ®æi ; V R →∞ . T×m C ®Ó V cã sè chØ lín nhÊt? L U 0 A) 72,4µF ; B) 39,7µF; C) 35,6µF ; D) 34,3µF. Phân tích: - Số chỉ của Vôn Kế (V) là giá trị hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai đầu đoạn mạch chứa R và cuộn dây thuần cảm. - Ta có: U V = 22 22 )( CL LRL ZZR U ZRZI −+ += . Trong dó do R, L không đổi và U xác định nên để U V =U Vmax => Trong mạch có cộng hưởng điện Giải: Do có cộng hưởng điện nên Z L =Z C => C= 2 1 ω L = 2 )100( 5,2 2 1 π π =39,7.10 -6 F Chọn đáp án B Câu 3:Một mạch điện Không phân nhánh gồm biến trở R,cuộn thuần cảm HL π 1 = và tụ có điện dung FC π 4 10.2 − = . Ghép mạch vào nguồn có Vtu )100sin(2100 π = . Thay đổi R để công suất tiêu thụ của mạch đạt giá trị cực đại, giá trị cực đại của công suất là: A) 50W B) 100W C) 400W D) 200W. Phân tích: Bài toán này cho R biến đổi L, C và ω không đổi và Z L ≠ Z C do đó đây không phải là hiện tượng cộng hưởng. Giải Ta có:R= CL ZZ − ;Z C = C ω 1 =50 Ω , Z L =L ω = 100 Ω  P=P max = CL ZZ U −2 2 = 501002 100 2 − =100W. Chọn đáp án B Câu 4: Một đoạn mạch RLC nối tiếp đang có tính cảm kháng, nếu giảm tần số dòng điện thì công suất toả nhiệt trên R sẽ A. tăng lên cực đại rồi giảm B. không thay đổi C. tăng D. giảm Phân tích: Mạch đang có tính cảm kháng nghĩa là Z L >Z C . Nếu giảm tần số f của dòng điện thi Z L =L f π 2 giảm và Z C = fC π 2 1 tăng vì vậy (Z L -Z C ) 2 sẽ giảm đến giá trị bằng 0 nghiã là xảy ra cộng hưởng điện nên công suất tăng lên đến giảtị cực đại sau đó (Z L -Z C ) 2 sẽ tăng trở lại và công suất giảm. Vậy đáp án chọn là A Câu 5: Đoạn mạch xoay chiều gồm tụ điện có C = Π −4 10 (F) mắc nối tiếp với điện trở thuần có giá trị không đổi. Đặt vào 2 đầu đoạn mạch một hiệu điện thế xoay chiều u = 200sin(100 Π t) V. Khi công xuất tiêu thụ đạt giá trị cực đại thì điện trở có giá trị là: A: R = 50 Ω; B: R = 100 Ω; C: R = 150 Ω; D: R = 200 Ω. Phân tích: Mạch điện này không có cuộn dây nên Z L =0. Giá tri của R khi công suất của mạch đạt giá trị cực đại là R=Z C Giải: R=Z C = ω C 1 = Ω= − 100 100. 10 1 4 π π Chọn đáp án B. Câu 6. Một mạch điện xoay chiều RLC không phân nhánh có R=100 Ω , L= π 1 H, tụ điện có điện dung C thay đổi được. Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế xoay chiều có biểu thức ) 4 100(2200 π π += tSinu AB . Giá trị của C và công suất tiêu thị của mạch khi hiệu điện thế giữa hai đầu R cùng pha với hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch nhận giá cặp giá trị nào sau đây: A)C= π 4 10 − F , P=400W B)C= π 4 10 − F , P=300W C)C= π 3 10 − F , P=400W C)C= π 2 10 4− F , P=400W Phân tích: Ta nhận thấy rằng khi u R cùng pha với u AB nghĩa là u AB cùng pha với cường độ dòng điện trong mạch i. Vậy trong mạch xảy ra cộng hưởng điện Z L =Z C Giải: Khi có cộng hưởng ω L Z C 1 = . Với Z L =L ω = 100 Ω  C= π 4 10 − F Lúc này công suất P=P max = W400 100 200 22 == R U Vậy chọn đáp án A Câu 7: Mạch điện R,L,C nối tiếp, hiệu điện thế hai đầu mạch u = 120 2 sin ω t(V) và ω có thể thay đổi được. Tính hiệu điện thế hiệu dụng 2 đầu R khi biểu thức dòng điện có dạng tSinIi ω 0 = : A. 120 2 (V) B. 120(V) C. 240(V) D. 60 2 (V). Phân tích: Dựa vào dạng của phương trình cường độ dòng điện ta thấy rằng lúc này u và i cùng pha. Nên trong mạch xảy ra cộng hưởng điện . Giải: Khi có cộng hưởng điện thì u R =u=120 2 sin ω t(V)  U R = 2 2120 =120V. Vậy chọn đáp án B Câu 8: Một mạch điện xoay chiều RLC không phân nhánh có R=100 Ω , C= π 4 10 − F, cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm thay đổi được. Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế xoay chiều có biểu thức ) 4 100(2200 π π += tSinu AB . Thay đổi giá trị của L để hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai đầu cuộn dây đạt giá trị cực đại. Giá trị của L và U Lmax nhận cặp giá trị nào sau đây: A) H π 1 ,200V B) H π 1 ,100V C) H π 2 1 ,200V D) H π 2 ,200 2 V Phân tích Tất cả các thông số R,C, ω đều không thay đổi . Thay đổi L để U L =U Lmax nên ta có Vậy U Lmax = R ZR U C AB 22 + và C C L Z ZR Z 22 + = => C C Z ZR L ω 22 + = Giải: U Lmax = R ZR U C AB 22 + với R=100 Ω , Ω== 100 1 ω C Z C  U Lmax = 100 100100 200 22 + =200 2 V => C C Z ZR L ω 22 + = = ππ 2 100.100 100100 22 = + H Vậy chọn đáp án D Câu 9Một mạch điện Không phân nhánh gồm biến trở R=100 Ω ,cuộn thuần cảm HL π 1 = và tụ có điện dung C thay đổi được . Ghép mạch vào nguồn có Vtu ) 6 100sin(2100 π π += . Thay đổi C để hiệu điện thế hai đầu điện trở có giá trị hiệu dụng U R =100V. Biểu thức nào sau đây đúng cho cường độ dòng điện qua mạch: A) ) 6 100(2 π π += tSini B) ) 6 100( π π += tSini C) ) 4 100(2 π π += tSini D) )100(2 tSini π = Phân tích : Theo đề ta thấy rằng hiệu điện thế hiệu dụng hai đầu đoạn mạch là U=100V, mà U R =100V. Vậy U R =U vậy trong mạch xảy ra cộng hưởng điện. lúc này i cùng pha với u và I= A R U 1 100 100 == Giải: - i cùng pha với u - I 0 = 2I = A2 => ) 6 100(2 π π += tSini Vậy chọn đáp án A Câu 10 Cho đoạn mạch RLC nối tiếp có giá trị các phần tử cố định. Đặt vào hai đầu đoạn này một hiệu điện thế xoay chiều có tần số thay đổi. Khi tần số góc của dòng điện bằng ω 0 thì cảm kháng và dung kháng có giá trị Z L = 20Ω và Z C = 80Ω. Để trong mạch xảy ra cộng hưởng, phải thay đổi tần số góc của dòng điện đến giá trị ω bằng A. 4ω 0 . B. 2ω 0 . C. 0,5ω 0 . D. 0,25ω 0 . Phân tích Khi trong mạch có cộng hưởng điện thì : LC 1 2 = ω ., Giải Ban đầu khi tần số góc của dòng điện là 0 ω ta có 4 1 2 0 == ω LC Z Z C L =>LC= 2 0 4 1 ω Khi tần số góc la ω thì có cộng hưởng điện thì LC 1 2 = ω = 2 0 4 ω => 0 2 ωω = Vậy chọn đáp án B . chọn là A Câu 5: Đoạn mạch xoay chiều gồm tụ điện có C = Π −4 10 (F) mắc nối tiếp với điện trở thuần có giá trị không đổi. Đặt vào 2 đầu đoạn mạch một hiệu điện thế xoay chiều u = 200sin(100 Π t). MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU RLC MẮC NỐI TIẾP Các bài tập về dòng điện xoay chiều trong khuôn khổ thi ĐH -Dạng 1 đơn giản nhất: +Viết biều. đáp án B. Câu 6. Một mạch điện xoay chiều RLC không phân nhánh có R=100 Ω , L= π 1 H, tụ điện có điện dung C thay đổi được. Đặt vào hai đầu đoạn mạch một hiệu điện thế xoay chiều có biểu thức