nghiên cứu chương trình MẠCH điện XOAY CHIỀU

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử Mô hình ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ điện Đơn vị điện trở là Ω Ohm , KΩ , MΩOhm , KΩ , MΩΩ , MΩ Điện trở sứ hay trở nhiệt 1.1.3.Tác d

“Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông” là một nhiệm vụ quan trọng không thể thiếu của người Giáo viên trong quá trình dạy học môn Vật lí THPT Đặc biệt, trong những năm gần đây, chương trình và sách giáo khoa đã được biên soạn lại và đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy học, đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dục toàn diện theo chủ trương của ngành giáo dục nước nhà.

Vì vậy việc nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức, cách trình bày nội dung kiến thức trong sách giáo khoa Vật lí là cần thiết, đặc biệt đối với những học viên cao học thuộc chuyên ngành LL & PPDH Vật lý Đây cũng là nhiệm vụ chính của học phần “ Nghiên cứu chương trình Vật lý phổ thông”.

Để có thể giảng dạy tốt bộ môn Vật lí ở trường phổ thông thì người giáo viên ngoài lòng đam mê và nhiệt huyết cần phải hiểu biết sâu sắc các kiến thức của môn học.Người giáo viên phải hiểu sâu về kiến thức cũng như ý đồ của SGK thì mới có thể tổ chức hoạt động dạy học có hiệu quả và kích thích được sự hứng thú của học sinh cũng như lựa chọn được phương pháp dạy học phù hợp với đặc trưng của môn học.

Trong bài tiểu luận này sẽ đề cập đến nội dung chương trình hai chương này đồng thời cung cấp phương hướng giảng dạy cho giáo viên.

PHẦN II: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU

1.Các phần tử cơ bản của mạch điện xoay chiều

1.1 Điện trở Tác dụng của điện trở trong mạch điện xoay chiều

1.1.1 Khái niệm điện trở.

Điện trở là gì ? Ta hiểu một cách đơn giản – Điện trở là sự cản

trở dòng điện của một vật , nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở

là vô cùng lớn.

Điện trở của dây dẫn :

Điện trở của dây dẫn phụ thộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây được tính theo công thức sau:

L R S

một linh kiện quan trọng, chúng được làm

từhợpchấtcacbonvàkimloạituỳtheotỷlệphatrộn mà người ta tạo

ra được các loại điện trở có trị số khác nhau.

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử

Mô hình ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ điện

Đơn vị điện trở là Ω (Ohm) , KΩ , MΩOhm) , KΩ , MΩΩ , MΩ

Điện trở sứ hay trở nhiệt

1.1.3.Tác dụng của điện trở trong mạch điện xoay chiều

Dòng điện không đổi hay dòng điện xoay chiều chạy qua điện trở thuần thì chỉ có tác dụng nhiệt

Đặt một điện ápxoaychiềuu = U cosωtt o vàohaiđầu đoạn mạch chỉ có điện trở thuần Tìm dạng của dòng điện tức thời i qua

R.Dòngđiệnxoaychiều đi qua điện trở thuần thì cùng pha với điện áp

Như vậy dòng xoay chiều có tính chất như dòng một chiều khi

đi qua trở thuần do đó có thể áp dụng các công thức của dòng một chiều cho dòng xoay chiều đi qua điện trở

Công thức định luật Ôm (Ohm)

I = U / R hay R = U/I

Công suất P = U.I

Định luật Ôm đối với cường độ dòng điện tức thời i qua đoạn mạch thuần trở

i =

0

0 U

- Dòng điện qua R cũng biến thiên theo quy luật hình sin cùng tần số với điện áp

- Hiệu số pha giữa dòng điện và điện áp bằng =0 tức là chúng biến thiên đồng bộ (đồng thời đạt cực đại hoặc đồng thời cực tiểu).

- Giá trị cực đại của dòngđiệnlà:

0 0

U I R



Lưu ý các giá trị tức thời của điện áp và dòng điện nêu trên đưa đến kết quả là nó cũng áp dụng được cho các biên độ U 0 và

I 0 của dòng điện hình sin

1.2 Cuộncảm.Tácdụngcủacuộn cảm trong mạch điện xoay chiều

1.2.1 Cấu tạo của cuộn cảm

Cuộn cảm gồm một số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dây quấn được sơn cách điện, lõi cuộn dây có thể là không khí, hoặc

là vật liệu dẫn từ như Ferrite hay lõi thép kỹ thuật

Cuộn dây lõi không khí CuộndâylõiFerit

KΩ , MΩý hiệu cuộn dây trên sơ đồ : L1 là cuộn dây lõi không khí, L2

là cuộndâylõiferit, L3 làcuộn dây có lõi chỉnh, L4 là cuộn dây lõi thép kỹ thuật

1.2.2.Các đại lượng đặc trưng của cuộn cảm.

Hệ số tự cảm (Ohm) , KΩ , MΩ định luật Faraday)

Hệ số tự cảm là đại lượng đặc trưng cho sức điện động cảm ứng của cuộn dây khi có dòng điện biến thiên chạy qua.

L = (Ohm) , KΩ , MΩ µr.4.3,14.n 2 S.10 -7 ) / l

L : là hệ số tựcảmcủacuôndây, đơnvịlàHenrry (Ohm) , KΩ , MΩH).

n : là số vòng dây của cuộn dây.

l : là chiều dài của cuộn dây tính bằng mét (Ohm) , KΩ , MΩm).

S : là tiết diện của lõi, tính bằng m 2

f : là tần số đơn vị là Hz

L : là hệ số tự cảm , đơn vị là Henry

Thí nghiệm về cảm kháng của cuộn dây với dòng điện xoay

chiều

* Thí nghiệm trên minh họa

=> Kết luận : Cảm kháng củacuộndâytỷlệvớihệ số tự cảm của

cuộndâyvàtỷlệvớitần số dòng điện xoay chiều, nghĩa là dòng điện xoay chiều có tần số càng cao thì đi qua cuộn dây càng khó.

Dòng điện một chiều có tần số f = 0 Hz vì vậy với dòng một chiều cuộn dây có cảm kháng Z L = 0

Điện trở thuần của cuộn dây

Điện trở thuần của cuộn dây là điện trở mà ta có thể đo được bằng đồng hồ vạn năng, thông thường cuộn dây có phẩm chất tốt thì điện trở thuần phải tương đối nhỏ so với cảm kháng, điện

trở thuần còn gọi là điện trở tổn hao vì chính điện trở này sinh

ra nhiệt khi cuộn dây hoạt động.

1.2.3 Tính chất nạp, xả của cuộn cảm

* Cuộn dây nạp năng lượng : KΩ , MΩhi cho một dòng điện chạy qua cuộn dây, cuộn dây nạp một năng lượng dưới dạng từ trường được tính theo công thức

I : cường độ dòng điện (Ohm) , KΩ , MΩA).

Thí nghiệm về tính nạp xả của cuộn dây

Ở thí nghiệm trên : KΩ , MΩhi KΩ , MΩ1 đóng, dòng điện qua cuộn dây tăng dần (Ohm) , KΩ , MΩ do cuộn dây sinh ra cảm kháng chống lại dòng điện tăng đột ngột ) vì vậy bóng đènsángtừtừ, khi KΩ , MΩ1 vừa ngắt và KΩ , MΩ2

di dt

cực đại dòng điện i i

đóng , năng lương nạp trong cuộn dây tạo thành điện áp cảm ứng phóng ngược lại qua bóng đèn làm bóng đèn loé sáng

=> đó là hiên tượng cuộn dây xả điện.

1.2.4 Tác dụng của cuộn cảm trong mạch điện xoay chiều

Dòng điện một chiều chạy qua cuộn thuần cảm không gây ra tác dụng cản trở dòng điện

Dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây thuần cảm gây ra 1 tác dụng cảntrởdòngđiện,tácdụngcảntrở đó gọi là cảm kháng,

kí hiệu là Z L =.L (Ω))

Khi đặt điện áp hình sin vào mạch điện có cuộn cảm thì dòng điện trong mạch cũng biến thiên theo định luật hình sin nhưng chậm pha hơn điện ápmộtgóc2

độ nghĩa là điện áp tăng nhanh hơn dòng điện khi qua cuộn dây

=>> Do tính chất lệch pha giữa dòng điện và điện áp khi đi qua

tụ điện và cuộn dây, nên ta không áp dụng được định luật Ohm vào mạch điện xoay chiều khi có sự tham gia của L và C được.

1.3.Tụ điện Dòng điện xoay chiều trong nhánh thuần tụ điện 1.3.1 Khái niệm tụ điện

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạodaođộng vv…

1.3.2 Cấu tạo của tụ điện

Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cựcđặt song song, ở giữacó một lớp cách điện gọi là điện môi.

Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm

chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá.

Cấu tạo tụ gốm , tụ hoá

Hình dáng thực tế của tụ điện

Điện dung , đơn vị và ký hiệu của tụ điện

* Điện dung : Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai

bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức

C = ξ S / d

 Trong đó C : là điện dung tụ điện , đơnvịlàFara (Ohm) , KΩ , MΩF)

 ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện.

 d : là chiều dày của lớp cách điện.

 S : là diện tích bản cực của tụ điện.

* Đơn vị điện dung của tụ : ĐơnvịlàFara (Ohm) , KΩ , MΩF) , 1Fara là rất lớn

do đó trong thực tế thường dùng các đơn vị nhỏhơnnhưMicroFara (Ohm) , KΩ , MΩµF) , NanoFara (Ohm) , KΩ , MΩnF), PicoFara (Ohm) , KΩ , MΩpF).

1 Fara = 1.000.000 µ Fara = 1.000.000.000 n F = 1.000.000.000.000 p F

1 µ Fara = 1.000 n Fara

1 n Fara = 1.000 p Fara

* Ký hiệu : Tụ điện có ký hiệu là C (Ohm) , KΩ , MΩCapacitor)

KΩ , MΩý hiệu của tụ điện trên sơ đồ nguyên lý

1.3.3 Sựphóng,nạpđiệncủatụ điện

Một tính chất quan trọng của tụ điện là tính chất phóng nạp của

tụ , nhờ tính chất này mà tụ có khả năng dẫn điện xoay chiều Minh hoạ về tính chất phóng nạp của tụ điện.

* Tụ nạp điện : Như hình ảnh trên ta thấy rằng , khi công tắc

KΩ , MΩ1 đóng, dòng điện từ nguồn U đi qua bóng đèn để nạp vào tụ, dòng nạp này làm bóng đèn loé sáng, khi tụ nạp đầy thì dòng nạp giảm bằng 0 vì vậy bóng đèn tắt.

* Tụ phóng điện : KΩ , MΩhi tụ đã nạp đầy, nếu công tắc KΩ , MΩ1 mở, công

tắc KΩ , MΩ2 đóng thì dòng điện từ cực dương (Ohm) , KΩ , MΩ+) của tụ phóng qua bóng đền về cực âm (Ohm) , KΩ , MΩ-) làm bóng đèn loé sáng, khi tụ phóng hết điện thì bóng đèn tắt.

=> Nếu điện dung tụ càng lớn thì bóng đèn loé sáng càng lâu hay thời gian phóng nạp càng lâu.

1.3.4 Tác dụng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều

Khi đặt điện áp hình sin vào mạch điện có tụ điện thì dòng điện trong mạch cũng biến thiên theo định luật hình sin nhưng nhanh pha hơn điện ápmộtgóc2



u C chậmphahơn i là /2, ( =  u –  i = -/2)

Dòng điện xoay chiều đi qua tụ điện thì dòng điện sẽ sớm pha hơn điện áp 90 0

Dung kháng không những phụ thuộc vào điện dung C của

tụ điện mà còn phụ thuộc vàotầnsố Đối với dòng điện mộtchiều ( = 0) thì Z C sẽ vô cùng lớn, do đó dòng điện xoay chiều không đi qua được tụ điện Dòng điện có tần số cànglớn (

  ) thì dung kháng của tụ điện càng nhỏ nghĩa là dòng điện cao tần qua tụ điện dễ dàng dù điện dung của tụ điện nhỏ.

Tác dụng của tụ điện trong mạch là khi truyền qua mạch điện tích q thì giữa hai cực của tụ điện xuất hiện điện áp U 0 =

q

C Nếu thay tụ điện bằng dây dẫn thì với điện tích q bất kỳ truyền qua đoạn mạch đó ta thấy U = 0, ứng với C = .

1.4 Mạch có R,L,C mắc nối tiếp

1.4.1.Biểu thức của cường độ dòng điện và điện áp.

Giả sử cường độ dòng điện trong đoạn mạch cóbiểuthức

i=I o cost.

Vì các phần tử trong đoạn mạch mắc nối tiếp nên điện áp tức

thời giữa 2 đầu đoạnmạch u= u R + u L + u C=Uo cos(t+)

1.4.2.Giảng đồ Fre-nen

2.Hiện tượng cộng hưởng

Thuật ngữ chung để chỉ hiện tượng xảy ra trong một hệ dao động cưỡng bức, khi tần số kích thích đạt một giá trị nhất định thì biên độ dao động tăng đột ngột.

2.1 Hiện tượng cộng hưởng điện áp

Nếu một khung dao động gồm các yếu tố R, L, C mắc nối tiếp được kích thích bởi hiệu điện thế có tần số  thì biên độ dao động I 0 phụ thuộc vào nhưhìnhbên.Dòngđiệnnàycó giá trị tức thời bằng nhau tại mọi tiết diện của mạch và gây ra các độ giảm thế U R trên điện trở R, U L trên cảm kháng L và U C trên dung kháng C.

Chú ý:Trong mạch điện xoaychiềuhìnhcosincócácphần tử

R, L và C mắc nối tiếp, giá trị tức thời i của dòng điện bằng nhau trên toàn mạch, còn giá trị tức thời u của toàn mạch bằng tổng các giá trị tức thời U R , U C và U L của từng đoạn mạch.

Điều kiện xảy ra cộng hưởng là do biên độ I 0 của dao động (dòng điện) cưỡng bức phụ thuộc giá trị của tầnsốgóc ω

củanguồnđiện xoay chiều đặt vào mạch (nguồn kích thích).Nên với một điện trở R nhất định của mạch; ta thấy biên độ I 0 sẽ đạt giá trị cực đại khi tầnsốgóc ω củanguồnkích thích có giá trị cực đại khi tầnsốgóc ω củanguồnkích thích có giá trị sao cho tổng trở Z của mạch đạt cực tiểu; muốn thế, theo

Z=

2

L R

Cộng hưởng này được gọi là cộng hưởng điện thế, bởi vì khi đó hiệu điện thế hiệu dụng trên cuộn dây và giữa 2 bản tụ điện có thể có trị số rất lớn, lớn hơn cả hiệu điện thế đặt vào mạch.

Trong thực tế muốn có hiện tượng cộng hưởng điện, người ta thường dùng hai cách sau đây:

+ Hoặc thay đổi tần số góckíchthích ω saochonó bằng tần

số góc riêng  0 của mạch dao động.

+ Hoặc thay đổi hệ số tự cảm L và điện dung C của mạch dao động sao cho tần số góc riêng  0 của mạch đúng bằng tần

số góc kích thích .

Hiện tượng cộng hưởng điện được ứng dụng rất rộng rãi trong kĩ thuật vô tuyến điện, chẳng hạn trong việc thu sóng điện từ (mạch chọn sóng).

2.2.Các hệ quả rút ra

+Tổng trở của đoạn mạch đạt giá trị cực tiểu

+Cường độ hiệu dụngcủadòngđiện,côngsuấttrongmạch đạt cực đại

+Cường độ dòngđiệnbiếnđôỉđồngphavới điện áp giữa hai

+Các điện áp tức thời giữa hai đầu bản tụ và cuộn cảm có biên

độ bằng nhau nhưngngượcphanhau.Điệnápgiữahai đầu điện trở bằng điện áp giữa hai đầu đoạn mạch

C KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu nội dung chương trình vật lí trung học phổ thông 2 với sự nghiên cứu sâu sắc về chương dòng điện xoay

chiều chúng tôi đã có được một cách nhìn khái quát, thống nhất về các loại dao động, nắm chắc hơn về các kiến thức vật

lí của chương trình THPT đặc biệt hiểu rõ ý nghĩa vật lí kiến thức chương “Dòngđiệnxoaychiều”.Nghiêncứunộichương trình vật lí phổ thông 2 giúp có cách tiếp cận mới về kiến thức phổ thông, tổng kết và khái quát chúng để từ đó có hướng dạy học phù hợp hỗ trợ học sinh học tập tự chủ, tích cực song hành với việc phát triển tư duy

Tài liệu tham khảo

1 Bộ Giáo dục và Đào tạo (2008), Vật lí 12 nâng cao, NXB Giáo dục, Hà Nội.

2 Bộ Giáo dục và Đào tạo (2008), Vật lý 12 (2008), NXB Giáo dục, Hà Nội.

3 Bộ Giáo dục và Đào tạo (2008), SGV Vật lý 12 nâng cao (2008), NXB Giáo dục, Hà Nội.

4 Vũ ThanhKhiết – NguyễnThếKhôi – Vũ Ngọc Hồng (1977), Giáo trình Điện đại cương tập 3, NXB Giáo dục, Hà Nội.

5 David Halliday – Robert Resnick –Jearl Walker (1999), Cơ

sở Vật lí tập 5, NXB Giáo dục, Bản dịch của Đàm Trung Đồn – Lê Khắc Bình – Đào Kim Ngọc.