Lý thuyết và bài tập Vật lý 12: Dòng điện xoay chiều

Lý thuyết và bài tập dòng điện xoay chiều

VnDoc mời quý thầy cô và các bạn học sinh tham khảo: Lý thuyết và bài tập Vật lý 12: Dòng điện xoay chiều. Tài liệu gồm có 2 phần chính: Tóm tắt lý thuyết và các câu hỏi trắc nghiệm có đáp án chuyên đề dòng điện xoay chiều. Thông qua tài liệu này chúng tôi hi vọng rằng các bạn học sinh sẽ học tập tốt và có kết quả cao trong các kì thi, đặc biệt là kì thi THPT tới đây.

• Lý thuyết và bài tập Vật lý 12: Dao động cơ học
• Lý thuyết và bài tập Vật lý 12: Dao động và sóng điện từ

CHUYÊN ĐỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

I. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Định nghĩa, biểu thức của cường độ dòng điện và điện áp tức thời

+ Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hoà theo thời gian: i = I₀cos(ωt + φ_i)

Trong đó:

i là cường độ dòng điện tức thời.
I₀ > 0 là cường độ dòng điện cực đại.
ω > 0 là tần số góc của dòng điện.
(ωt + φ_i) là pha của i tại thời điểm t.
φ_i là pha ban đầu của cường độ dòng điện.

+ Điện áp xoay chiều (hay hiệu điện thế xoay chiều) biến thiên điều hòa theo thời gian: u = U₀cos(ωt + φ_u)

Trong đó:

u là điện áp tức thời.
U₀ > 0 Điện áp cực đại.
ω > 0 là tần số góc của điện áp.
(ωt + φ_u) là pha của điện áp tại thời điểm t.
φ_u là pha ban đầu của điện áp.

+ Độ lệch pha giữa điện áp u và cường độ dòng điện i: φ = φ_u - φ_i

Với φ > 0: u sớm pha hơn i (hay i trễ pha hơn u).
Với φ < 0: u trễ pha hơn i (hay i sớm pha hơn u).
Với φ = 0: u cùng pha với i.

+ Chu kì của dòng điện xoay chiều: T = 2π/ω

+ Tần số dòng điện: f = 1/T = ω/2π

2. Cường độ hiệu dụng I của dòng điện xoay chiều

Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là đại lượng có giá trị bằng cường độ của một dòng điện không đổi, sao cho khi đi qua cùng một điện trở R thì công suất tiêu thụ trên R bởi dòng điện không đổi ấy bằng công suất trung bình tiêu thụ trên R bởi dòng điện xoay chiều nói trên.

+ Giá trị hiệu dụng bằng giá trị cực đại chia cho .

Suất điện động hiệu dụng: E = E₀/
Điện áp hiệu dụng: U = U₀/
Cường độ dòng điện hiệu dụng: I = I₀/

II. MẠCH CÓ R, L, C MẮC NỐI TIẾP – CỘNG HƯỞNG ĐIỆN

1. Các giá trị tức thời

+ Xét đoạn mạch RLC nối tiếp. Đặt vào hai đầu A, B của đoạn mạch một điện áp xoay chiều u = U₀cos(ωt + φ_u)

+ Trong mạch có dòng điện xoay chiều i = I₀cos(ωt + φ_i)

+ Các phần tử trong đoạn mạch mắc nối tiếp nên ta có: u = u_R + u_L + u_C

2. Giản đồ Fre-nen. Quan hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp

a) Giản đồ Fre-nen

+ Cách biễu diễn:

- Vẽ trục Ox nằm ngang gọi là trục pha. Biểu diễn i bởi I trùng với trục Ox.

b) Định luật Ôm cho đoạn mạch RLC nối tiếp

I = U/ Z

Với Z là tổng trở của đoạn mạch RLC nối tiếp

c) Độ lệch pha của điện áp so với cường độ dòng điện

Gọi φ là độ lệch pha giữa điện áp ở hai đầu đoạn mạch RLC nối tiếp với cường độ dòng điện chạy trong đoạn mạch

φ = φ_u - φ_i

Với φ được xác định thông qua biểu thức

Khi Z_L < Z_C thì φ < 0, điện áp giữa hai đầu đoạn mạch RLC nối tiếp chậm pha hơn cường độ dòng điện qua mạch (giản đồ vectơ có U nằm dưới trục pha). Đoạn mạch có tính dung kháng.

Khi Z_L > Z_C thì φ > 0, điện áp giữa hai đầu đoạn mạch RLC nối tiếp nhanh pha hơn cường độ dòng điện qua mạch (giản đồ vectơ có U nằm trên trục pha). Đoạn mạch có tính cảm kháng.

3. Cộng hưởng điện

+ Giữ nguyên giá trị điện áp hiệu dụng U ở hai đầu đoạn mạch RLC nối tiếp, thay đổi tần số góc ω của điện áp đến giá trị sao cho

Z_L = Z_C

Hay Lω = 1/C_ω

Suy ra ω = 1/

+ Lúc đó tổng trở của đoạn mạch RLC nối tiếp đạt giá trị cực tiểu Z_min = R, cường độ hiệu dụng của dòng điện trong đoạn đạt giá trị cực đại. Hiện tượng này gọi là hiện tượng cộng hưởng điện

+ Khi có cộng hưởng điện thì:

I_max = U/Z_min = U/R

Điện áp tức thời giữa hai bản tụ điện và hai đầu cuộn cảm thuần triệt tiêu u_L + u_C = 0 (hay ), điện áp ở hai đầu điện trở R bằng điện áp ở hai đầu đoạn mạch RLC nối tiếp.

Cường độ dòng điện biến đổi cùng pha với điện áp giữa hai đầu đoạn mạch RLC nối tiếp.

4. Công suất của dòng điện xoay chiều - Hệ số công suất

a) Công suất trung bình của dòng điện xoay chiều (gọi tắt là công suất của dòng điện xoay chiều)

P = RI² = UIcosφ

với U là điện áp hiệu dụng ở hai đầu đoạn mạch; I là cường độ hiệu dụng của dòng điện chạy trong đoạn mạch; φ là độ lệch pha giữa điện áp tức thời ở hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện tức thời chạy trong đoạn mạch.

b) Hệ số công suất

cosφ = R/Z

Lưu ý:

Để viết biểu thức điện áp ở hai đầu đoạn mạch RL hoặc LC...ta cần tính điện áp cực đại và pha ban đầu của điện áp ở hai đầu đoạn mạch RL hoặc LC... Khi tính ta dựa trên nguyên tắc, đoạn mạch đang khảo sát thiếu vắng phần tử nào so với đoạn mạch RLC thì cho phần tử đó nhận giá trị 0 trong tất cả các công thức của đoạn mạch RLC.

Ví dụ: Đoạn mạch chỉ có RL nối tiếp (thiếu C so với đoạn mạch RLC) ta có các công thức sau

Z_{RL =} ; U_0RL = I₀Z_RL; tanφ_RL = Z_L/R

Trong trường hợp cuộn cảm có điện trở thuần đáng kể, thì ta coi mạch đó có một cuộn cảm L không có điện trở thuần mắc nối tiếp với một điện trở thuần R không có độ tự cảm (vì dòng điện đi từ đầu này tới đầu kia cuộn cảm).

Trường hợp đoạn mạch đang khảo sát gồm nhiều phần tử giống nhau, thì trong các công thức phải thay bởi giá trị tương đương của chúng.

Nếu các phần tử giống nhau mắc nối tiếp thì trị tương đương của chúng sẽ là

R = R₁ + R₂ +....
Z_L = Z_L1 + Z_L2 +....
Z_C = Z_C1 + Z_C2 +....

Nếu các phần tử giống nhau mắc song song thì trị tương đương của chúng sẽ là

1/R = 1/R₁ + 1/R₂ +....
1/Z_L = 1/Z_L1 + 1/Z_L2 +....
1/Z_C = 1/Z_C1 + 1/Z_C2 +....

III. MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Nguyên tắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều

Cho một khung dây dẫn phẳng có diện tích S quay đều với tốc độ góc ω quanh một trục vuông góc với các đường sức của một từ trường đều có cảm ứng từ .

Giả sử tại thời điểm ban đầu t = 0, vectơ pháp tuyến của khung và vectơ cảm ứng từ hợp với nhau góc φ, đến thời điểm t góc hợp bởi giữa chúng là (ωt + φ), từ thông qua mạch là

Φ = NBScos(ωt + φ)

Theo định luật cảm ứng điện từ, trong khung dây xuất hiện một suất điện động biến thiên điều hoà theo thời gian

e = - dΦ/dt-NBSωsin(ωt + φ)

e = E₀cos(ωt + φ₀)

Suất điện động này gọi là suất điện động xoay chiều.

+ Chu kì và tần số của suất điện động xoay chiều

T = 2\(\pi\)/ω, f = ω/2\(\pi\)

2. Hai cách tạo ra suất điện động cảm ứng xoay chiều thường dùng trong các máy điện

+ Từ trường cố định, các vòng dây quay trong từ trường.

+ Từ trường quay, các vòng dây đặt cố định.

3. Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều 1 pha

Các bộ phận chính:

+ Phần cảm là nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện. Đó là phần tạo ra từ trường.

+ Phần ứng là những cuộn dây, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động. Một trong hai phần đặt cố định, phần còn lại quay quanh một trục. Phần cố định gọi là stato, phần quay gọi là rôto.

Tài liệu vẫn còn, mời bạn tải về

Trên đây VnDoc.com vừa giới thiệu tới các bạn Lý thuyết và bài tập Vật lý 12: Dòng điện xoay chiều. Mong rằng qua bài viết này các bạn có thể học tập tốt hơn môn Vật lý lớp 12. Mời các bạn cùng tham khảo thêm các môn Toán 12, Ngữ văn 12, tiếng Anh 12, đề thi học kì 1 lớp 12, đề thi học kì 2 lớp 12....