Đang tải... (xem toàn văn)
Lý thuyết và bài tập Dòng điện xoay chiều
Vật lí 12 - Điện xoay chiều CHƢƠNG III :ĐIỆN XOAY CHIỀU I LÝ THUYẾT GIÁO KHOA: ĐẠI CƢƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Hiệu điện dao động điều hòa : Quay khung dây kim loại có diện tích S có N vòng dây, quanh trục đối xứng từ trường B với vận tốc góc không đổi Từ thông qua khung : =NBS cost =0 cost với : 0 = NBS Suất điện động cảm ứng : e =‘ = .0 sint =E0.sint với E0 = .0 =.NBS Cuộn dây khép kín có R i= NBS NBS sin t ; I0= R R Vậy, khung dây xuất suất điện động biến thiên điều hòa Dòng điện xoay chiều : HĐT xoay chiều : u = U0 cost Dòng điện xoay chiều : i = I0cos(t + ) Dòng điện mô tả định luật dạng sin – Biến thiên điều hoà theo t Cường độ hiệu dụng : Cường độ hiệu dụng dòng điện xoay chiều cường độ dòng điện không đổi chúng qua điện trở, thời gian chúng tỏa nhiệt lượng I= I0 U= U0 vaø E= E0 Khi dùng ampe kế, vôn kế đo dòng điện xoay chiều ta đo giá trị hiệu dụng -DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU TRO ĐOẠN MẠCH CHỈ CÓ ĐIỆN TRỞ THUẦN, CUỘN CẢM HOẶC TỤ ĐIỆN Mạch có điện trở : Dòng điện qua mạch : i = I0 cost => u = U0 cost với I0 = U0 R Mạch có R hiệu điện đầu đoạn mạch biến thiên điều hòa pha với dòng điện UR Giản đồ vectơ : Đoạn mạch có tụ điện : o * Dung khaùng ZC : ZC = C : Điện dung tụ ( F ) 1F = 10-6 F C I + Tụ điện không cho dòng điện không đổi qua + Tụ điện có tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều ( gọi dung kháng ) Trang Vật lí 12 - Điện xoay chiều * Quan hệ u i : Dòng điện qua mạch : i = I0 cost => uC = U0C cos(t - ) với u0C = I0ZC * Kết luận : Mạch có tụ điện với đện dung C, hiệu điện đầu đoạn mạch biến thiên điều hòa trễ pha dòng điện góc Giản đồ vectơ quay : O I UC Maïch có cuộn dây : * Cảm kháng ZL : ZL = L. L : Độ tự cảm cuộn dây ( H ) : Tần số dòng điện + Cuộn cảm có tác dụng cản trở dòng điện xoay chiều (Gọi cảm kháng ) Quan hệ u i : Dòng điện xoay chiều qua maïch i = I0 cost => uL =U0L cos(t + với ) U0L = I0 ZL * Kết luận : Mạch có cuộn dây có độ tự cảm L, hiệu điện đầu đoạn mạch biến thiên điều hòa nhanh pha dòng điện góc Giản đồ vectơ quay UL I -0 DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU TRONG ĐOẠN MẠCH KHÔNG PHÂN NHÁNH Dòng điện hiệu điện : i I0 cos t u U0 cos(t ) u U0 cos t i I0 cos(t ) với U0 = I0 Z Tính tổng trở Z : Z R Z L Z C Tính góc lệch pha : tg = ZL Z C R NHẬN XÉT : Khi ZL > ZC : Mạch có tính cảm kháng, u nhanh pha i góc Khi ZL < ZC : Mạch có tính dung kháng, u chậm pha i góc Khi ZL = ZC : Mạch cộng hưởng, u pha với i Trang Vật lí 12 - Điện xoay chiều Hiện tượng cộng hưởng đoạn mạch RLC : 1 Khi L 2 C LC U - Dòng điện qua mạch có giá trị cực đại I R - Hiệu điện pha với cường độ dòng điện -CÔNG SUẤT DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Đặt hiệu điện xoay chiều đầu đoạn mạch Dùng ampe kế, vôn kế Oát kế để đo U,I P tiêu thụ mạch Thực nghiệm cho thấy : P = U.I.cos với cos = R Z Ý nghóa hệ số công suất : cos =1 =0 : Mạch có R mạch cộng hưởng : P=U.I cos =0 = : Mạch có L C L,C nối tiếp : P = 0< cos N’ U > U’ : Máy hạ Nếu N < N’ U < U’ : Máy tăng Tỉ số hiệu điện hai đầu cuộn thứ cấp sơ cấp tỉ số vòng dây hai cuộn dây U' N' I U N I' Dùng máy biến làm hiệu điện tăng lần cường độ dòng điện giảm nhiêu lần ngược lại Sự truyền tải điện : R Công suất hao phí P biến thành nhiệt : P = R.I2 = P2 U Như vậy, tăng U lên n lần P giảm n2 lần Để giảm hao phí P, người ta dùng máy biến tăng U trước truyền -CÁCH TẠO RA DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ : Dùng diod mắc theo sơ đồ sau : Giả sử nửa chu kỳ đầu VA > VB : Dòng điện từ A diod Đ2 C điện trở R D diod Đ4 B Nửa chu kỳ sau VA < VB : Dòng điện từ B diod Đ3 C điện trở R D diod Đ1 A Trang Vật lí 12 - Điện xoay chiều Nguyên tắc hoạt động máy phát điện chiều : Nguyên tắc hoạt động : dựa tượng cảm ứng điện từ A D1 D D2 B Cấu tạo máy phát điện chiều tương tự máy phát điện xoay chiều pha D4 D3 Đối với máy phát điện chiều, người ta dùng hệ thống bán khuyên có chổi quét tì vào để lấy điện Để dòng điện đỡ nhấp nháy, người ta bố trí nhiều cuộn dây đặt lệch nối tiếp -II.TĨM TẮT CƠNG THỨC : Các biểu thức u – i + Biểu thức suất điện động xoay chiều :e = E0 cos( t + e ) + Biểu thức cường độ dòng điện : i = I0 cos( t + i ) (A) Với I0 cường độ dòng điện cực đại, tần số góc, i pha ban đầu Lưu ý * Mỗi giây đổi chiều 2f lần * Nếu pha ban đầu i = i = giây đổi chiều 2f-1 lần 2 + Biểu thức hiệu điện : u = U0 cos( t + u ) (A) Với U0 hiệu điện cực đại, tần số góc, u pha ban đầu U I L C R + Các giá trị hiệu dụng : U= I= 2 A B M N + Xét đoạn ,mạch R, L , C nối tiếp: 2 UL - Tần số góc: 2 f ; T - Cảm kháng: Z L .L ; Dung kháng ZC C U L UC U 2 - Tổng trở mạch : Z ( R r ) ( Z L ZC ) ; O 2 i - Hiệu điện hiệu dụng: U (U R U r ) (U L U C ) UR U UR UL Ur UC Z R ZL r ZC Z ZC - Độ lệch pha u – i: tan L (trong u i ) Rr M¹ch chØ cã R M¹ch chØ cã L - Tổng trở mạch : - Tổng trở mạch : Z Z L .L ; Z R R - Hiệu điện hiệu dụng: - Hiệu điện hiệu dụng: U U L I Z L U U R I R U U - Định luật ôm: I L - Định luật ôm: I R ZL R - Độ lệch pha u – i: - Độ lệch pha u – i: - Định luật ôm: I UC M¹ch chØ cã C - Tổng trở mạch : ; Z ZC C - Hiệu điện hiệu dụng: U UC I ZC U - Định luật ôm: I C ZC Trang C Vật lí 12 - Điện xoay chiều u i tan R tan Z L ZC Rr M¹ch chØ cã R-L - Tổng trở mạch : Z ( R r )2 Z L ; - Hiệu điện hiệu dụng: U (U R U r )2 U L - Định luật ôm: U UR UL Ur I Z R ZL r - Độ lệch pha u – i: Z tan L Rr (trong u i ) u i ZL Z ZC tan L Rr tan M¹ch chØ cã R-C - Tổng trở mạch : Z R ZC ; - Hiệu điện hiệu dụng: U U R UC - Định luật ôm: U U U I R C Z R ZC - Độ lệch pha u – i: Z tan C (trong R u i ) - Độ lệch pha u – i: u i Z tan C Z L ZC tan Rr M¹ch chØ cã L-C - Tổng trở mạch : Z r ( Z L ZC )2 ; - Hiệu điện hiệu dụng: U U r (U L UC )2 - Định luật ôm: U UL Ur UC I Z ZL r ZC - Độ lệch pha u – i: Z ZC (trong tan L r u i ) Một số ý làm tập viết phƣơng trình hiêu điện hay cƣờng độ dịng điện tức thời đoạn mạch RLC + Khi biết biểu thức dòng điện, viết biểu thức hiệu điện ta làm sau: Tìm tổng trở mạch Tìm giá trị cực đại U0 = I0.Z Tìm pha ban đầu hiệu điện thế, dựa vào công thức:Độ lệch pha u – i: Z ZC u i tan L Rr + Khi biết biểu thức dòng điện, viết biểu thức hiệu điện ta làm sau: Tìm tổng trở mạch Tìm giá trị cực đại I0 = U0/Z Z ZC Tìm pha ban đầu cường độ dịng điện , dựa vào công thức: tan L Rr u i + Cường độ dòng điện mạch mắc nối tiếp điểm nên ta có: U U U U U I R L r C Z R ZL r ZC + Số ampe kế, vôn kế cho biết giá trị hiệu dụng hiệu điện cường độ dòng điện + Nếu điện trở ghép thành ta có: Ghép nối tiếp điện trở Ghép song song điện trở 1 1 R R1 R2 Rn R R1 R2 Rn Ta nhận thấy điện trở tương đương mạch Ta nhận thấy điện trở tương đương mạch lớn điện trở thành phần Nghĩa : nhỏ điện trở thành phần Nghĩa : Rb > R1, R2… Rb < R1, R2 Ghép nối tiếp tụ điện Ghép song song tụ điện 1 1 C C1 C2 Cn C C1 C2 Cn Ta nhận thấy điện dung tương đương mạch lớn điện dung tụ thành Ta nhận thấy điện dung tương đương mạch Trang Vật lí 12 - Điện xoay chiều nhỏ điện dung tụ thành phần Nghĩa : Cb < C1, C2… phần Nghĩa : Cb > C1, C2… Hiện tƣợng cộng hƣởng điện + Khi có tượng cộng hưởng điện ta có: I = I max = U/R mạch có ZL = ZC hay 2LC = 1, hiệu điện pha với dòng điện mạch, UL = UC U=UR; hệ s cụng sut cos =1 3.Công suất đoạn m¹ch xoay chiỊu R VËy: P = UIcos ; Cos = Phơ thc vµo R, L, C vµ f Z Cơng suất dịng điện xoay chiều R,L,C,=const, f thay đổi L,C, =const, R thay R,C, =const, Lthay R,L, =const, C thay đổi đổi đổi Pmax = U2 U2 2R Z L ZC Pmax = Khi : R Z L Z C U2 R Khi : Z L ZC L Dạng đồ thị sau: Pmax = 2C Pmax Pmax Pmax = Khi : Z L Z C C Dạng đồ thị sau: P U2 R Khi : Z L Z C f L Dạng đồ thị sau: P Pmax U2 R 2 LC Dạng đồ thị sau: P Pmax P P