Vấn đề 6: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 1. Hiệu điện thế dao động điều hòa- Dòng điện xoay chiều: * Biểu thức suất điện động: 0 0 0 . . ( . ) . ( . ) ( )e NBS c t E c t V ω ω ϕ ω ϕ = = +os os (6.1) * Biểu thức (điện áp) hiệu điện thế tức thời ở hai đầu đoạn mạch: 0 . ( . ) ( ) u u U c t V ω ϕ = +os (6.2) * Biểu thức cường độ dòng điện tức thời trong đoạn mạch: 0 . ( . ) ( ) i i I c t A ω ϕ = +os (6.3) CHÚ Ý: Mỗi giây đổi chiều 2f lần Trong đó: + 0 U (V) biên độ hay là hiệu điện thế (điện áp) cực đại + 0 ( )E NBS V ω = là suất điện động cực đại. + 0 I là biên độ cường độ dòng điện cực đại + ( ) u rad ϕ : pha ban đầu của u + ( ) i rad ϕ : pha ban đầu của i * Độ lệch pha ϕ của (điện áp) hiệu điện thế tức thời u so với cường độ dòng điện i: u i ϕ ϕ ϕ = − (rad) (6.4) + Nếu 0 ϕ > thì u sớm pha hơn so với i + Nếu 0 ϕ < thì u trễ pha so với i + Nếu 0 ϕ = thì u đồng(cùng) pha hơn i * Cường độ dòng điện hiệu dụng I và hiệu điện thế hiệu dụng U: 0 2 I I = và 0 2 U U = (6.5) 2. Dòng điện xoay chiều và hiệu điện thế xoay chiều trong các loại đoạn mạch: Đoạn mạch Định luật Ôm cho đoạn mạch Quan hệ giữa u và i – Giãn đồ vecto Chú ý Chỉ có R . R R U I U I R R = ⇔ = R u luôn đồng pha i ( 0) R ϕ = R U điện áp hiệu dụng ở hai đầu điện trở R 0 0 0 0 . = ⇔ = R R U I R U I R Cuộn dây thuần cảm chỉ có L . L L L L U I U I Z Z = ⇔ = *Với cảm kháng: . ( ) L Z L ω = Ω * Chú ý: Nếu cuộn không thuần cảm ( có điện trở thuân L R ) 2 2 L L Z R Z= + daây L u luôn nhanh pha so với i góc 2 π ( ) 2 L π ϕ = L U điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thuần cảm L 0 0 0 0 . = ⇔ = L L L L U I Z U I Z Chỉ có C . C C C C U I U I Z Z = ⇔ = Với dung kháng L u luôn chậm pha so với i góc 2 π ( ) 2 C π ϕ = − C U điện áp hiệu dụng ở hai đầu tụ C 1 ( ) . C Z C = 0 0 0 0 . = = C C C C U I Z U I Z RLC ni tip . U I U I Z Z = = Vi tng tr ca mch: 2 2 ( ) ( ) = + L C Z R Z Z * Chỳ ý: Nu cun khụng thun cm ( cú in tr thuõn L R ) 2 2 ( ) ( ) L L C Z R R Z Z= + + Gi s: L C L C U U Z Z> > * lch pha ca u so vi i: i u u i = = = = L C L C R U U Z Z tg U R + Nu 0 u sụựm pha hụn i > L C Z Z > mch cú tớnh cm khỏng +Nu 0 u chaọm pha hụn i < L C Z Z < mch cú tớnh dung khỏng +Nu 0 u cuứng pha vụựi i = L C Z Z = mch cú thun tr. 0 0 0 0 . = = U I Z U I Z Vi: 0 0 2 2 I I vaứ U = = U 3. H s cụng suõt v cụng sut ca dũng in xoay chiu: * Cụng sut tiờu th: 2 . . . .os R P U I c R I U R = = = (6.6) * H s cụng sut: . os = = = R P U R c U I U Z (6.7) Chỳ ý: Nhit lng ta ra( in nng tiờu th) trong thi gian ( )t s : 2 . .Q I R t = (6.8) Nu cun khụng thun cm ( cú in tr thuõn L R )thỡ: 2 2 2 cos ( ) ( ) ( ). với L L L C L R R Z R R Z Z Z P R R I ϕ + = = + + − = + (6.9) 4. Hiện tượng cộng hưởng: Hiện tượng cường độ dòng điện trong mạch đạt cực đại m (I ) ax khi L C Z Z= hay tần số của mạch đạt giá trị 0 1 1 2 f LC LC ω π = ⇔ = (6.10) * Hệ quả của hiện tượng cộng hưởng: • I min với Z MAX L C MIN U U R Z Z Z R = = = ⇔ = • ( ) max * 0 * cos 1 ϕ ϕ ϕ ϕ = ⇒ = ⇒ = và i đồng pha u i u (6.11) • . R R u đồng pha so với uhai đầu đoạnmạch Hay U U= • . 2 L C u vàu đồngthời lệch pha so với ûhai đầu đoạnmạch π • 5. CƠNG THỨC TÍNH NHANH VÀ MỘT SỐ DẠNG TỐN: 5.1)VIẾT BIỂU ĐIỆN ÁP VÀ CƯỜNG ĐỘ DỊNG ĐIỆN: Phương pháp: * Tính tổng trở Z: 2 2 . ( ) ( ) ( ) 1 ( ) . L L C C Z L Z R Z Z với Z C ω ω = Ω = + − Ω = Ω * Tính biên độ I 0 hoặc U 0 bằng định luật Ơm: 0 0 0 0 . U I U I Z Z = ⇔ = * Tính độ lệch pha của u so với i: u u i i ϕ ϕ ϕ ϕ = = − Với: ( ) 2 2 π π ϕ ϕ − = − < < L C Z Z tg R * Viết biểu thức: + Nếu cho: 0 . ( . ) ( ) i i I c t A ω ϕ = +os ω ϕ ϕ ϕ ϕ ⇒ = + = + 0 . os( . ) ( ) u u i u U c t V với + Nếu cho ω ϕ ⇒ = + 0 . os( . ) ( ) u u U c t V ω ϕ ϕ ϕ ϕ ⇒ = + = − 0 . os( . ) ( ) i i u i I c t A với Chú ý: + Nếu cuộn dây khơng thuần cảm 2 2 ( ) ( ) ( 0) L L C L Z R RL ZL ZC R thì Z Z tg R R ϕ • = + + − ≠ − • = + + Nếu đoạn mạch thiếu phần tử nào thì cho trở kháng của phần tử đó bằng 0 Đoạn mạch Tổng trở 2 2 C R Z+ 2 2 L R Z+ L C Z Z− tg ϕ C Z R − L Z R 2 2 π ϕ π ϕ +∞ ⇒ = −∞ ⇒ = − + Nếu cho: 0 . ( . ) ( ) i i I c t A ω ϕ = +os • Điện áp tức thời ở hai đầu điện trở thuần R: ω ϕ ⇒ = + = 0 0 0 . os( . ) ( ) . R R i R u U c t V vôùi U I R • Điện áp tức thời ở hai đầu cuộn thuần cảm: ω ϕ ϕ ⇒ = + + = 0 0 0 . os( . ) ( ) . L L i L L L u U c t V vôùi U I Z • Điện áp tức thời ở hai đầu tụ điện: ω ϕ ϕ ⇒ = + + = 0 0 0 . os( . ) ( ) . C C i C C C u U c t V vôùi U I Z • 5.2) XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ CÁC PHẦN TỬ R, L, C CÓ TRONG ĐOẠN MẠCH KHÔNG PHÂN NHÁNH: Phương pháp: * Dựa vào các dữ kiên đã cho tính giá tri tổng trở Z của đoạn mạch đang xét rồi sử dụng công thức 2 2 ( ) ( ) = + − Ω L C Z R Z Z . Từ đó suy ra: , , L C Z Z R cần tìm. Dữ kiện đề cho Sử dụng công thức Chú ý Độ lệch pha ϕ ϕ − = L C Z Z tg R hoặc os ϕ = R c Z Thường tính os ϕ = R Z c Công suất P hoặc nhiệt lượng Q 2 . . os . . R P U I c U I I R ϕ = = = Thường sử dụng để tính I: P I R = rồi mới áp dụng định luật Ôm để tính tổng trở U Z I = Cường độ hiệu dụng và điện áp hiệu dụng C R L XY L C XY U U U U I R Z Z Z = = = = Nếu đề cho n dữ kiện thì ta sẽ tìm được ( 1)n − dữ kiện Chú ý: Có thể sử dụng công thức trực tiếp để tính: • Công suất của dòng điện xoay chiều: 2 2 2 . . os . . . R U P U I c U I I R R Z ϕ = = = = 2 2 2 2 2 . ( ) . L C U U Z R R Z Z R P P ⇒ = ⇔ + − = • Hệ số công suất os oaëc ϕ ϕ c h : . os os ϕ ϕ = = = ⇒ = R P U R R c Z U I U Z c 2 2 2 ( ) os ϕ ⇔ + − = ÷ L C R R Z Z c • Điện áp hiệu dụng ở hai đầu mỗi phần tử điện: . . ; . ; . vôùi I = . . R R L L C C L L C C U Z R U U U U I R U I Z U I Z Z Z Z U U Z Z U = = = = ⇒ = = 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) . ( ) . ( ) . L C R L C L L L C C C U R Z Z R U U R Z Z Z U U R Z Z Z U • + − = ÷ ÷ ⇔ • + − = ÷ ÷ • + − = ÷ ÷ Chú ý: Tất cả các công thức sau khi đã được biến đổi như trên ta có thể đưa về giải phương trình bậc 2 hoặc Đưa về dạng 2 2 A B= để giải. 5.3) MẠCH ĐIỆN THAY ĐỔI DO ĐÓNG NGẮT KHÓA K: * Hiện tượng đoản mạch: Xét một đoạn mạch có tổng trở là X Z và một dây nối AB có điện trở không đáng kể theo hình bên. Vì điện trở của dây nối không đáng kể nên: + Điện thế tại A ( ) A V gần bằng điện thế tại B ( ) B V : A B V V= + Toàn bộ dòng điện không đi qua phần tử X Z mà đi qua dây nối AB. ⇒ Hiện tượng trên gọi là hiên tượng đoản mạch * Kết quả: + Khi có hiện tượng đoản mạch ở phần tử nào ta cói thể xem như không có( khuyết) phần tử đó trong mạch. + Nối(chập) hai điểm A, B ở hai đầu dây nối rồi vẽ mạch lại. 5.4) XÁC ĐỊNH CẤU TẠO(HOẶC GIÁ TRỊ CÁC PHẦN TỬ) CỦA MẠCH ĐIỆN: (Bài toán hộp kín X) Phương pháp: * Tính chất của mạch điện: • : u nhanh pha hơn i 2 π • : u nhanh pha hơn i một góc ϕ và ngược lại hay mạch có tính cảm kháng. • : u chậm pha hơn i một góc ϕ và ngược lại hay mạch có tính dung kháng. * Dựa vào độ lệch pha của u so với i, của 1 u so với 2 u rồi vẽ giãn đồ vec-tơ. Từ đó ⇒ phần tử của mạch. Cụ thể: + Nếu 0 ϕ = thì mạch thuần trở(chỉ có R) + Nếu 0 2 π ϕ < < thì mạch có tính cảm kháng( Phải có R,L). + Nếu 0 2 π ϕ − < < thì mạch có tính dung kháng( Phải có R,C). + Nếu 2 π ϕ = thì mạch có L hoặc L và C với (Z L > Z C ). + Nếu 2 π ϕ = − thì mạch có C hoặc L và C với (Z L < Z C ) 5.5) QUAN HỆ GIỮA CÁC GIÁ TRI HIỆU DỤNG CỦA CÁC ĐIỆN ÁP (Số đo của Vơn- kế): Phương pháp: Cách 1: * Sử dụng cơng thức: 2 2 2 ( ) R L C U U U U= + − và ; os L C R R U U U tg c U U ϕ ϕ − = * Hoặc sử dụng các cơng thức cho từng loại đoạn mạch: Ví dụ: 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 (1) (2) ( ) (3) ( ) (4) RL R L RC R L LC L C R L C U U U U U U U U U U U U U = + = + = − = + − ⇒ Giải các phương trình trên để tìm ra , , R L C U U U hoặcsố chỉ củaVôn Kế− Cách 2: Sử dụng giãn đồ vec-tơ Fresnel * Vẽ giãn đồ vec-tơ Fresnel và nên vẽ theo quy tắc 3 điểm( Vẽ các vec- tơ liên tiếp nhau) * Áp dụng định lí hàm số cos(hoặc sin) để tính cos ( sin )hoặc ϕ ϕ * Dựa vào hệ thức lượng trong tam giác để tính , , , R L C U U U U 5.6) BÀI TỐN LIÊN QUAN ĐẾN ĐỘ LỆCH PHA GIỮA CÁC ĐIỆN ÁP 1 2 và uu : Phương pháp: * Sử dụng cơng thức độ lệch pha giữa hai điện áp 1 2 và uu : 1 1 2 2 u u u u i i ϕ ϕ ϕ = − Trong đó: 1 2 : : 1 2 Độlệch pha của u so với i Độlệch pha của u so với i u i u i ϕ ϕ Chú ý: • Có thể dùng phương pháp giãn đồ vec-tơ Fresnel để giải dạng tốn trên. • Nếu 1 2 và uu lệch pha nhau 2 π hay 1 1 2 2 2 u u u u i i π ϕ ϕ ϕ = − = . Ta ln có: 1 2 ( ).( ) 1 u u i i tg tg ϕ ϕ =− Ví dụ: Xét đoạn mạch theo hình bên. Biết độ lệch pha của 2 với là AN MB u so u π . Tìm hệ thức liên hệ giữa , , L C R Z Z . Hướng dẫn: Ta có ( ).( ) 1 1 AN MB C L u u i i Z Z tg tg R R ϕ ϕ =− ⇔ − = − ÷ ÷ Kết quả::(CTTN) 2 2 . L C L R Z Z hay R C ⇔ = = 5.7) BÀI TỐN CỰC TRỊ (cực đại hoặc cực tiểu): Phương pháp: Cách 1: * Biến đổi biểu thức C cần tìm cực trị về dạng phân số ( ) ( ) C: biểu thức cần tìm cực trò với D: là đại lượng hằng số trong mạch(thường là U ở hai đầu đoạn mạch) là hàm số với biến số là đại lượng bò thay đổi của mạch đie D C f X Y f X = = L C än( Thường là R, Z , Z ,f) Từ đó max min min m ( ) ( ) ax C f X C f X ⇔ ⇒ ⇔ * Khảo sát cực trị của hàm số ( )Y f X= . Chú ý: Xét cực trị của hàm số ( )Y f X= bằng các cách sau; • Hiện tượng cộng hưởng m I ax khi L C Z Z= • Dùng bất đẳng thức Cơsi cho 2 số , 0A B > A . Với ( ) min 2 . 2 .A B A B A B A B A B+ ≥ ⇒ + = ⇔ = • Dùng đạo hàm để khảo sát hàm số ( )Y f X= • Nếu ( )Y f X= có dạng phương trình bậc 2 2 ( ) . .Y f X a X b X c= = + + min ( ) 0. b đó: X= - 2.a Y f X a Khi⇒ = ⇔ > * Tính nhanh một số trường hợp cụ thể: a) Tìm giá trị cực đại của cơng suất tiêu thụ của mạch: Sử dụng cơng thức: 2 2 2 2 2 2 . . ( ) ( ) U với I= Z L C L C U U P R I R Z Z R Z Z R R = = = − + − + + Khi L, C hoặc f thay đổi(R khơng đổi) : Kết quả:(CTTN) Khi L hoặc C thay đổi thì: 2 max ( ).(mạchxảy racộnghưởng hệ quả hiện tượng công hưởng) L C U P Z Z Xem R = ⇔ = + Khi R thay đổi: ( Áp dụng bất đẳng thức Cơsi cho hai số dương ( ) 2 L C Z -Z vàA R B R = = Kết quả:(CTTN) Khi R thay đổi thì: 2 max 2 . 2. 2 đó : cos = hay = 4 L C U P R Z Z Khi R π ϕ ϕ = ⇔ = − b) Tìm ( ) ( ) ( ) ; ax ax ax hoặc R L C m m m U U U khi R, L, C thay đổi trong đoạn mạch RLC: • Tìm ( ) ax R m U khi R thay đổi: Ta có 2 2 2 2 . . ( ) ( ) 1 R L C L C U U U R I R R Z Z Z Z R = = = + − − + Kết quả:(CTTN)Khi R thay đổi thì: ( ) ax R L C m U U Z Z ⇒ = ⇔ = • Tìm ( ) ax L m U khi L thay đổi: Ta có: 2 2 2 2 2 2 2 2 . . ( ) ( ) 2. 1 L L L L C L C C C L L L U U U U Z I Z R Z Z R Z Z R Z Z Z Z Z = = = = + − + − + − + Đặt: 2 2 2 ( ) ( ). 2 . 1 C C Y f X R Z X Z X= = + − + . Với: 1 C X Z = Do C onst ; R= const ; Z = constU c= nên ta suy ra: ( ) [ ] min ( ) ax L m U Y f X⇔ = Với: 2 2 0; 2. ; 1 C C a R Z b Z c= + > =− = . Suy ra: [ ] min ( )Y f X= khi 2. b X a = − 2 2 2 2 1 . C L C C L C Z Z Z R Z Z R Z ⇔ = ⇒ = + + . Khi đó: ( ) 2 2 . ax U = R L C m U R Z+ Kết quả:(CTTN)Khi L thay đổi thì: ( ) 2 2 2 2 . . ax U = R L C C L C m Z Z R Z U R Z = + + Tương tự: (CTTN)Khi C thay đổi thì: ( ) 2 2 2 2 . . ax U = R L C L C L m Z Z R Z U R Z = + + Cách 2: Dùng giãn đồ vec-tơ quay Xét đoạn mạch RLC theo hình bên. Định C để ( ) max C U . Tìm ( ) max C U Hướng dẫn: Ta có: ; ; ; ; AB AN L C RL L C AB U AN U U MN U NB U MB U U= = = = = = − ur ur ur ur Với: 2 2 sin onst R AN L U R c U R Z α = = = + . Áp dụng định lý hàm số sin trong AMN∆ : 2 2 . .sin C C L U U U U R Z sin sin R β β α = ⇒ = + ( U = const) Vậy: ( ) 0 max sin 1 90 : 2 leäch pha vôùi L RL AB U hay u so u π β β ⇔ = = ( ) 2 2 max . . R U L RC L U U U U R Z R ⇒ = = + Khi đó: 1 2 . 1 . 1 L C L Z Z Z tg tg R R β β − = − ⇔ = − ÷ ÷ Hay: 2 2 . L C L Z Z R Z = + BẢNG TÓM TẮT: Đại lượng biến thiên trong mạch RLC Giá trị cực trị cần tìm Mối liên hệ với các phần tử còn lại trong mạch Chú ý: R ( ) ax R m U U= L C Z Z= Hiện tượng cộng hưởng R 2 max 2. U P R = L C R Z Z= − 2 2 cos = hay = 4 π ϕ ϕ L hoặc C ( ) 2 max ; 1 ax os m U P c R ϕ = = ; L C Z Z= Hiện tượng cộng hưởng L ( ) 2 2 . ax U = R L C m U R Z+ 2 2 . L C C Z Z R Z= + 2 leäch pha vôùi RC u so u π C ( ) 2 2 . ax U = R C L m U R Z+ 2 2 . L C L Z Z R Z= + 2 leäch pha vôùi RL u so u π 5.8) MỘT SỐ DẠNG TOÁN KHÁC: 1. Dòng điện xoay chiều i = I 0 cos(2 π f.t + ϕ i ) * Mỗi giây đổi chiều 2f lần * Nếu pha ban đầu ϕ i = 0 hoặc ϕ i = π thì chỉ giây đầu tiên đổi chiều 2f-1 lần. 2. Công thức tính khoảng thời gian đèn huỳnh quang sáng trong một chu kỳ Khi đặt hiệu điện thế u = U 0 sin(ωt + ϕ u ) vào hai đầu bóng đèn, biết đèn chỉ sáng lên khi u ≥ U 1 . 4 t ϕ ω ∆ ∆ = Với 1 0 os U c U ϕ ∆ = , (0 < ∆ϕ < π/2) 3. MạchRLC không phân nhánh có C biến đổi. • Khi C = C 1 hoặc C = C 2 thì U C có cùng giá trị thì U Cmax khi 1 2 1 2 1 1 1 1 ( ) 2 2 C C C C C C Z Z Z + = + ⇒ = • Khi C = C 1 hoặc C = C 2 thì công suất P có cùng giá trị thì: 1 2 2. C C L Z Z Z + = 4. MạchRLC không phân nhánh có R biến đổi Khi R = R 1 hoặc R= R 2 1 2 ( )R R≠ thì P có cùng giá trị thì: 2 1 2 . ( ) L C R R Z Z = − 5. Mạch RLC có ω thay đổi: • Khi 1 LC ω = thì I Max ⇒ U Rmax ; P Max còn U LCMin Lưu ý: L và C mắc liên tiếp nhau • Khi 2 1 1 2 C L R C ω = − thì ax 2 2 2 . 4 LM U L U R LC R C = − • Khi 2 1 2 L R L C ω = − thì ax 2 2 2 . 4 CM U L U R LC R C = − • Với ω = ω 1 hoặc ω = ω 2 thì I hoặc P hoặc U R có cùng một giá trị thì I Max hoặc P Max hoặc U RMax khi 1 2 ω ω ω = ⇒ tần số 1 2 f f f= 6. Hai đoạn mạch R 1 L 1 C 1 và R 2 L 2 C 2 cùng u hoặc cùng i có pha lệch nhau ∆ϕ Với 1 1 1 1 L C Z Z tg R ϕ − = và 2 2 2 2 L C Z Z tg R ϕ − = (giả sử ϕ 1 > ϕ 2 ) Có ϕ 1 – ϕ 2 = ∆ϕ ⇒ 1 2 1 2 1 tg tg tg tg tg ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ − = ∆ + Trường hợp đặc biệt ∆ϕ = π/2 (vuông pha nhau) thì tgϕ 1 tgϕ 2 = -1. . Vấn đề 6: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 1. Hiệu điện thế dao động điều hòa- Dòng điện xoay chiều: * Biểu thức suất điện động: 0 0 0 . . ( . ) . ( . ) (. dụng I và hiệu điện thế hiệu dụng U: 0 2 I I = và 0 2 U U = (6.5) 2. Dòng điện xoay chiều và hiệu điện thế xoay chiều trong các loại đoạn mạch: Đoạn mạch Định luật Ôm cho đoạn mạch Quan hệ. tr. 0 0 0 0 . = = U I Z U I Z Vi: 0 0 2 2 I I vaứ U = = U 3. H s cụng suõt v cụng sut ca dũng in xoay chiu: * Cụng sut tiờu th: 2 . . . .os R P U I c R I U R = = = (6.6) * H s cụng sut: . os