VẬT LÝ CHUYÊN ĐỀ

1.1 Khái niệm về dòng điện xoay chiều a Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo quy luật của hàm số sin hay côsin.. ¾ Khi n là số vòng tron

Trang 1

CHUYÊN ĐỀ LUYỆN THI TỐT NGHIỆP THPT

VÀ LUYỆN THI ĐẠI HỌC, CAO ĐẲNG 2009

Môn: VẬT LÍ Chuyên đề: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

• Đây là một trong các chuyên đề cơ bản và quan trọng hay được sử dụng thi trong các đề thi tốt nghiệp và đại học

• Cung cấp kiến thức cơ bản để giúp học sinh giải các bài toán điện xoay chiều

II KIẾN THỨC CƠ BẢN

1 Đại cương về dòng điện xoay chiều

1.1 Khái niệm về dòng điện xoay chiều

a) Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn với thời gian theo quy luật của hàm số sin hay côsin

Phương trình: i = I0cos(ωt + φ) Với i là cường độ tức thời, I0 là cường độ cực đại b) Giá trị hiệu dụng: 0

2

I

I=

1.2 Nguyên tắc tạo ra dòng điện một chiều

a) Nguyên tắc: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

b) Biểu thức từ thông:

cos

Φ =

Suất điện động cảm ứng: e d NBS sin t

Cường độ dòng điện cảm ứng: i e NBS sin t

Cường độ dòng dòng điện cực đại: I0 NBS

R

ω

=

2 Mạch chỉ có một phần tử R, L và C và mạch RLC

2.1 Mạch chỉ có R

Biểu thức hiệu điện thế: u U= 2 cosωt

Cường độ dòng điện tức thời: i I= 2 cosωt

Biểu thức định luật Ôm: I U

R

=

2.2 Mạch chỉ có tụ điện

Trang 2

Cường độ dòng điện tức thời: 2 cos

2

i I= ⎛ωt+π ⎞

Biểu thức định luật Ôm:

c

U

C

ω

=

Kết luận: Dòng điện nhanh pha góc

2

π so với hiệu điện thế

2.3 Mạch chỉ có cuộn cảm thuần

Cường độ dòng điện tức thời: 2 cos

2

i I= ⎛ωt−π ⎞

L

I

= = với Z c =ωL

Kết luận: Dòng điện trễ pha góc

2

π so với hiệu điện thế

2.4 Mạch điện RLC

Biểu thức tức thời trong mạch: u u= R+u L+u C

Nếu về giá trị hiệu dụng thì: U UJG JJJG JJJG JJJG= R+U L+U C

2

I

Z = R + Z −Z

Độ lệch pha giữa u và i là φ, được xác định:

R

tg

Khi φ > 0 thì điện áp u sớm pha so với dòng điện i

Khi φ < 0 thì điện áp u trễ pha so với dòng điện i

Hiện tượng cộng hưởng điện:

Khi ZL = ZC thì I U

R

= tức là dòng điện đạt giá trị cực đại khi đó xảy

JJG

c

U

G i

JJJG

R

U

JJG

L

U

LC L c

UJJJJG= UJJG JJG+ U JJJJG

AB

U

Trang 3

ra hiện tượng cộng hưởng điện

Tần số cộng hưởng: từ Z L Z C L 1

C

ω ω

1

LC

ω

⇔ =

3 Công suất dòng điện

3.1 Biểu thức công suất tức thời: p = ui = 2UIcosωt.cos(ωt + φ) hay p =

UI[cosφ + cos(2ωt + φ)]

3.2 Biểu thức công suất tiêu thụ: P = UIk = UIcosφ với k = cosφ = R

Z

k : hệ số công suất

3.3 Một số dạng bài tập liên quan đến công suất điện

c) Dạng 1: Khi U, L, C không đổi để P = Pmax thì R = |ZL – ZC| d) Dạng 2: Khi U, C, R không đổi để P = Pmax thì L 2 C2

C

Z

+

=

e) Dạng 3: Khi U, L, R không đổi để P = Pmax thì C 2 2L

L

Z

+

=

4 Máy biến áp, truyền tải điện năng

4.1 Máy biến áp

a) Khái niệm: là thiết bị dùng để biến đổi hiệu điện thế của dòng điện xuay chiều mà hầu như không làm tổn hao năng lượng

b) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động:

¾ Cấu tạo: Gồm hai cuộn dây dẫn quấn trên một lõi chung bằng thép

kĩ thuật điện, các cuộn dây dẫn thường bằng đồng có điện trở nhỏ, lõi thép gồm nhiều lá thép mỏng hình chữ nhật hoặc hình tròn xếp cách điện với nhau

¾ Nguyên tắc hoạt động: Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, cuộn dây nối với dòng điện xoay chiều gọi là cuộn

sơ cấp, cuộn nối với mạch điện bên ngoài (tải tiêu thụ) gọi là cuộn thứ cấp

c) Máy biến áp có kí hiệu như hình vẽ:

d) Một số công thức cần nhớ với máy biến áp:

1 1 2

U = N = I

1

N k N

= gọi là hệ số biến áp, nếu k > 1 gọi là máy tăng áp, khi

k < 1 gọi là máy hạ áp.

R U 2

Trang 4

¾ Hiệu suất máy biến áp: 2 2 1

1 1 1

H

4.2 Truyền tải điện năng đi xa

Một số công thức cần nhớ:

¾ Độ giảm thế trên đường dây dẫn: ΔU = RI

¾ Công suất hao phí trên đường dây: ΔP = RI2

¾ Hiệu suất tải điện: H P' P P

− Δ

= = (với P’ là công suất nhận được nơi tiêu thụ, P là công suất truyền đi)

5 Máy phátđiện xoay chiều và động cơ không đồng bộ

5.1 Máy phát điện xoay chiều một pha

a) Cấu tạo:

¾ Phần cảm: Phần tạo ra từ thông biến thiên bằng nam châm quay, phần cảm gọi là rôto (bộ phận quay)

¾ Phần ứng: gồm các cuộn dây giống nhau, cố định trên một vòng tròn, phần ứng gọi là Stato (bộ phận đứng yên)

¾ Công thức tần số máy phát: f = np với f: tần số máy phát (tần số dòng điện, p: số cặp cực, n: số vòng trong một giây

¾ Khi n là số vòng trong một phút thì công thức là:

60

np

f =

b) Nguyên tắc hoạt động:

¾ Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

¾ Khi từ thông qua một qua một khung dây dao động điều hòa, nó làm phát sinh trong khung dây một suất điện động dao động điều hòa, suất điện động này tạo ở mach ngoài (mạch tiêu thụ) một dòng điện xoay chiều

5.2 Máy phát điện xoay chiều ba pha

a) Khái niệm: là máy tạo ra ba suất điện động xoay chiều hình sin cùng tần số, cùng biên độ và lệch pha nhau 2

3

π

b) Cấu tạo:

¾ Ba cuộn dây hình trụ giống nhau gắn cố định trên một đường tròn tại

3 vị trí đối xứng nhau trên một đường tròn Ba trục này đồng quy tại

O

¾ Một nam châm có thể quay quanh tại trục O

c) Nguyên tắc hoạt động:

¾ Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

¾ Khi nam châm quay, thì từ thông qua mỗi cuộn dây là ba hàm số sin của thời gian, cùng tần số ω, cùng biên độ và lệch pha nhau góc 2

3

π

1 0

2 0

3 0

sin

2 sin

3 2 sin

3

ω

π ω π ω

=

Trang 5

Từ thông này tạo ra suất điện động biến thiên (lệch pha nhau 2

3

π )

Nếu nối các đầu dây của 3 cuộn dây với 3 mạch ngoài giống nhau thì

ta có 3 dòng điện lệch pha nhau góc 2

3

π đó là dòng điện xoay chiều 3

pha:

1 0

2 0

3 0

sin

2 sin

3 2 sin

3

ω

π ω π ω

=

d) Các cách mắc mạch 3 pha:

¾ Mắc hình sao: Ud là hiệu điện thế giữa hai dây pha, UP là hiệu điện thế giữa một dây pha và dây trung hòa, khi đó: U d = 3U P và Id =

IP Với cách mắc hình sao thì không có dòng điện qua dây trung hòa khi

mà 3 tải đối xứng, nhưng nếu 3 tải không đối xứng thì vẫn có một dòng điện nào đó qua dây trung hòa

¾ Mắc tam giác: Khác với cách mắc hình sao, với các mắc tam giác thì:

Ud = UP và I d = 3I P

e) Ưu điểm của dòng 3 pha so với dòng 1 pha:

¾ Tiết kiệm dây dẫn bằng cách mắc hình sao hay tamg giác

¾ Cung cấp dòng điện với công suất lớn hơn, do đó hay được sử dụng

ở những nơi tiêu thụ điện lớn như: nhà máy, xí nghiệp, thành phố …

5.3 Động cơ không đồng bộ ba pha

a) Cấu tạo:

¾ Rôto: là một khung dây dẫn (có thể quay dưới tác dụng của từ trường quay)

¾ Stato: là bộ phận tạo nên từ trường quay

b) Nguyên tắc hoạt động:

¾ Tạo ra từ trường quay bằng cách cho dòng điện ba pha chạy vào 3 cuộn dây giống nhau đặt lệch nhau 1200

¾ Khi mắc động cơ vào mạng điện ba pha, từ trường quay do stato gây

ra làm cho rôto quay trên trục Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc cơ cấu chuyển động khác

Bài tập 1 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn): Chọn câu đúng Cho dòng điện xoay

chiều có biểu thức i = Iocos(ωt + φ) đi qua điện trở R trong khoảng thời gian t Nhiệt lượng toả ra trên điện trở là:

2

I

4

I

Q R= t D Q R It= 2

Trang 6

Trả lời:

Ta có nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở R là

Q = RI2t với I là giá trị hiệu dụng

0

2

I

I=

Thay vào trên

2

I

Q RI t R= = t

Phương án trả lời: A

Bài tập 2 (Trích từ đề thi trên Hocmai.vn):

Phần ứng của một máy phát điện xoay chiều có 200 vòng dây giống nhau Từ thông qua một vòng dây có giá trị cực đại là 2 mWb và biến thiên điều hoà với tần số 50

Hz Suất điện động của máy có giá trị hiệu dụng là bao nhiêu?

A E = 88858 V B E = 88,81 V C E = 12566 V D E = 125,66 V

Trả lời:

e = NBSωsinωt với Eo = NBSω là suất điện động cực đại

Vậy suất điện động hiệu dụng có giá trị là

( )

0 88,81

2

E

Phương án trả lời: B

Biểu thức của hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch chỉ có tụ điện điện dung C = 31,8

μF là

( )

6

u= ⎛ πt+π ⎞ v

Cường độ dòng điện qua đoạn mạch là:

A 0,8sin 100 ( ).

2

i= ⎛ πt−π⎞ A

3

C 0,8sin 100 ( ).

3

i= ⎛ πt−π ⎞ A

2

i= ⎛ πt+π ⎞ A

Trả lời:

Vận tốc truyền sóng trong môi trường phụ thuộc vào bản chất môi trường truyền sóng

Phương án trả lời: B

Mạch RLC có R = 20Ω, L = 0,5H, C = 100μF Nguồn cấp u= 120 2 cos100πt v( ).

Cường độ hiệu dụng và công suất đoạn mạch nhận giá trị nào trong các giá trị sau:

20,5W

20W

Trả lời:

Theo bài ra ta có tổng trở

Trang 7

( )2 2 ( )

6

1

100 100.10

Cường độ dòng điện hiệu dụng

( )

120 0,95 126,6

U

Z

Công suất tiêu thụ

( )

2 18, 05 W

P RI= =

Phương án trả lời: C

Một đoạn mạch gồm cuộn dây thuần cảm có độ tụ cảm L = 1

π H, mắc nối tiếp với

một tụ điện dung C và một điện trở R = 100Ω Đặt vào hai đầu đoạn mạch hiệu điện thế xoay chiều với giá trị hiệu dụng U = 200V, f = 50Hz Công suất tiêu thụ điện trong mạch có giá trị 200W Điện dung C của tụ điện có giá trị

A 10 4

2π

−

(F) B 10 4

π

−

(F) C 10 3

2π

−

(F) D 10 3

π

−

(F)

Trả lời:

Theo bài ra ta có cảm kháng:

( )

1

L

π

Công suất tiêu thụ

2 2

RU

P RI

Thay các giá trị vào

2 2 2

100.200

100 100 Z c Z c

Mà

( )

4

c

−

Trong đoạn mạch xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp ZL > ZC > R > 0, chọn phát

biểu đúng

A Hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch sớm pha so với cường độ dòng điện là

2

π

B Hiệu điện thế hai đầu mạch chậm pha so với cường độ dòng điện là

2

π

C Hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch sớm pha so với cường độ dòng điện qua mạch

D Hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch chậm pha so với cường độ dòng điện qua mạch

Trả lời:

Ta có biểu thức của độ lệch pha tg Z L Z c

R

ϕ= −

Trang 8

Do ZL > ZC > R > 0 nên suy ra tanφ > 0 và bị chặn trên do đó hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch sớm pha so với cường độ dòng điện qua mạch

Trong một mạch điện xoay chiều, trong 2 s dòng điện đổi chiều 1000 lần Chu kỳ của dòng đó là:

A 1 ( ).

1000 s

C 1 ( ).

2000 s

Trả lời:

Trong mỗi chu kỳ dòng điện đổi chiều 2 lần Vậy 1000 lần đổi chiều ứng với 500 chu kỳ

250

Một đoạn mạch gồm điện trở thuần R mắc nối tiếp với cuộn dây có độ tự cảm L và điện trở r Hai đầu mạch điện được duy trì hiệu điện thế u = Uocosωt (V) Hệ số công suất đoạn mạch phụ thuộc vào :

Trả lời:

Ta có hệ số công suất

cos

4

L

ϕ

π

Vậy hệ số công suất đoạn mạch phụ thuộc vào các đại lượng R, L, r, ω

Phương án trả lời: D

Máy biến thế có cuộn sơ cấp với N1 = 1000 vòng quay, r1 = 1Ω, cuộn thứ cấp có N2

= 200 vòng, r2 = 1,2Ω Nguồn ở sơ cấp có hiệu điện thế hiệu dụng là U1, tải ở thứ cấp là điện trở thuần R = 10Ω với hiệu điện thế U2 Bỏ qua sự mất mát năng lượng

ở phần lõi Tỷ số 1

2

U

U và hiệu suất của máy là:

A 1

2

5, 62

U

2 5

U

U = ; H = 87%

C 1

2

5

U

2

5, 62

U

Trả lời:

Do mất mát năng lượng ở phần lõi là không đáng kể, ta có:

1 1

d

dt d

dt

φ φ

= −

Trang 9

2 1 1

1 1 2 2

1 2 2

1000

5 200

Áp dụng định luật Ôm cho mạch sơ cấp và mạch thứ cấp:

1 1 1 1

2 2 2 2

2 2

= +

=

Từ (1) ta được

1 1 1 2 2 2

u =r i =k u +r i

Mặt khác ta lại có: 2

1 i i k

2 u i R

1 I I k

2 U I R

=

2

2 1

kR

2 1 1

2

5 10 1, 2 1

5,62 5.10

U

Hiệu suất của máy biến thế:

2 2

5 10

.100 89 %

5 10 1, 2 1

H

Trong kỹ thuật tần số dòng điện xoay chiều do máy phát ra là cố định (thường là 50Hz đến 60Hz tùy từng nước) Muốn làm giảm số vòng quay của Rôto máy

phát,người ta thay đổi số cặp cực trong máy Chọn phát biểu đúng trong các phát

biểu sau: Để giảm số vòng quay Rôto đi p lần so với tần số f (số vòng quay n tính bằng n/s) người ta:

B Giảm số cặp cực đi p lần

C Tăng số cặp cực lên 60p lần

D Tăng số cặp cực lên

60

p

lần

Trả lời:

Giả sử dòng điện có tần số 50Hz

Nếu máy phát có 1 cuộn dây và 1 nam châm (tức là 1 cặp cực Bắc Nam) thì Roto phải quay với vận tốc góc 50 vòng/s Để giảm số vòng quay 2, 3, , n lần người ta tăng số cuộn dây và cặp cực lên n lần

Vậy ở đây ta phải tăng số cặp cực lên p lần

IV BÀI TẬP VỀ NHÀ

Bài tập 1: Cho một mạch R-L-C với các thông số cho trên hình Cho π ≈ 3,14 Biết

rằng khi đóng hay mở k số chỉ của ampe kế không thay đổi Tính chính xác đến

mH độ tự cảm của cuộn dây là:

C = 18,5 μF

A

r A = 0

K

Trang 10

A 1,09647 H B 1,10 H C 1096,5 mH D 1096 mH

Bài tập 2: Một đoạn mạch xoay chiều không phân nhánh gồm điện trở thuần R =

10√3Ω, cuộn dây thuần cảm có cảm kháng ZL = 35Ω, tụ điện có dung kháng ZC = 45Ω Tại thời điểm hiệu điện thế hai đầu cuộc dây có pha ban đầu là

3

π

thì hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch có pha ban đầu nhận giá trị:

A

3

π

3

π

6

π

6

π

ϕ= − (rad)

Bài tập 3: Có hai máy phát điện xoay chiều một pha Số cặp cực của máy phát thứ

nhất bằng 2 lần số cặp cực của máy thứ hai, p1 = 2p2 Để cùng phát ra dòng điện xoay chiều có f1 = f2 tỷ số vận tốc góc của rôto trong hai máy nhận giá trị :

A 1

2

1 2

n

2 2.

n

2 4.

n

2 1.

n

n =

Bài tập 4: Kết luận nào sau đây sai?

A dòng xoay chiều trong một mạch dao động RLC là một dao động điện cưỡng bức

B hiện tượng cộng hưởng xảy ra trong mạch xoay chiều khi tần số cưỡng bức bằng tần số riêng của mạch

C công suất tiêu hao trên mạch xoay chiều cũng là công suất tiêu thụ nhiệt của mạch

D dòng điện hiệu dụng chính là dòng trung bình trong mạch xoay chiều

Bài tập 5: Máy phát xoay chiều cấp công suất P = 103kW cho một đường dây cao thế U = 100kV Dây tải có điện trở r = 20Ω Công suất hao phí trên dây là trị số

đúng nào dưới đây:

Bài tập 6: Mạch RLC có

( )

150 2 cos100

π

= ; 5.10 4( ).

4

π

−

= Công suất tiêu thụ của mạch là

P = 90W R có thể có bao nhiêu giá trị và đó là giá trị nào:

A một giá trị: R = 160Ω B hai giá trị: R = 160Ω hoặc R = 90Ω

C hai giá trị: R = 80Ω và R = 180Ω D một giá trị: R = 90Ω

Bài tập 7: Trong mạch 3 pha đối xứng (3 tải giống hệt nhau), kết luận nào sau đâu

là đúng: Khi dòng trong một pha đạt cực đại (I0) thì dòng điện hai pha còn lại

A bằng nhau và bằng 1 0.

3I

B bằng nhau và bằng 2 0.

3I

C bằng nhau, bằng 1 0

2I và cùng chiều với dòng thứ nhất

D bằng nhau, bằng 1 0

2I và ngược chiều với dòng thứ nhất

Bài tập 8: Khung dây chữ nhật kích thước 40cm x 60cm gồm N = 200 vòng dây,

có trục quay vuông góc với từ trường đều B = 0,2T, quay đều quanh trục với vận tốc góc n = 120 vòng/phút Chọn t0 = 0 là lúc mặt khung vuông góc với BJJG0 Chọn

biểu thức đúng cho suất điện động trong khung

Trang 11

A e= 120 2 sin 4πt v( ). B e= 85 2 sin 4πt v( ).

C 120sin 4 ( ).

2

e= ⎛ πt+π ⎞ v

⎝ ⎠ D e = 120cos(4πt) (v)

Bài tập 9: Trong máy dao điện một pha có p cặp cực roto quay với tần số n

(vòng/s), tần số của hiệu điện thế xoay chiều tính bằng:

60

pn

f = D f = 60pn

Bài tập 10: Tìm phát biểu sai

A Công suất của mạch xoay chiều tính theo P = I2R là công suất biểu kiến của mạch

B Công suất tính theo P = UI cosϕ là công suất trung bình tính trong 1 chu kì hay trong khoảng thời gian rất lớn so với 1 chu kì

C Công suất của 1 mạch xoay chiều là 1 lượng không đổi

D Hệ số cosϕ là hiệu suất của mạch điện

Bài tập 11: Một cuộn dây có điện trở r, độ tự cảm L được cấp dòng bởi nguồn u =

U0cos(100πt) (V) Dòng qua nó có biên độ I0 = 10√2A và trễ pha π/3 so với U, công suất tiêu thụ trên cuộn dây khi đó là P = 200W Độ tự cảm của cuộn dây L là:

-2 (H)

100π (H)

Bài tập 12: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về dòng điện xoay chiều ba pha?

A Các dòng điện xoay chiều trong hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha phải được sử dụng đồng thời, không thể tách riêng được

B Mỗi dòng điện xoay chiều trong hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha đều có cùng biên độ, cùng tần số

C Các dòng điện xoay chiều trong hệ thống dòng điện xoay chiều ba pha luôn lệch pha nhau một góc

3

D Dòng điện xoay chiều ba pha là hệ thống của ba dòng điện xoay chiều một pha

Bài tập 13: Một bóng đèn điện có ghi 110V - 45W và một tụ điện được mắc nối

tiếp vào một hiệu điện thế xoay chiều có giá trị hiệu dụng 220V, tần số 50Hz Bóng đèn sáng bình thường Tổng trở của mạch là:

A Z = 268,9 Ω B Z = 238 Ω C Z = 465,6 Ω D Z = 537,7 Ω

Bài tập 14: Một khung dây quay đều trong từ trường B với ω = 150 vòng/phút Lúc

t = 0 thì vectơ pháp tuyến của mặt khung cùng phương, chiều với vectơ cảm ứng từ

B, lúc t = 0,25s thì suất điện động xoay chiều bằng 168V Từ thông cực đại và biểu thức của suất điện động có giá trị bằng

A Φmax = 15,1 (Wb); e = 168√2sin5πt (V)

B Φmax = 16,5 (Wb); e = 96√2sin5πt (V)

C Φmax = 7,45 (Wb); e = 84√2sin5πt (V)

D Φmax = 20,5 (Wb); e = 56√2sin5πt (V)

Bài tập 15: Đặt vào đoạn mạch AB có một hiệu điện thế xoay chiều không đổi có

hiệu điện thế hiệu dụng là U Khi đoạn mạch có điện trở R, thì cường độ dòng điện của mạch là 1,8A Khi mạch chỉ có tụ điện C thì cường độ dòng điện trong mạch là

Định dạng
Số trang	13
Dung lượng	274,82 KB