Title Sách tham khảo Vật Lý - CHUYÊN ĐỀ ĐIỆN XOAY CHIỀU - Gv Nguyễn Xuân Trị.pdf ✅

3 Chương II: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU CHỦ ĐỀ 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU A. TÓM TẮT KIẾN THỨC CƠ BẢN I. Suất điện động xoay chiều: Cho khung dây dẫn phẳng có N vòng, diện tích S quay đều với vận tốc , xung quanh trục vuông góc với với các đường sức từ của một từ trường đều có cảm ứng từ B. Theo định luật cảm ứng điện từ, trong khung dây xuất hiện một suất điện động biến đổi theo định luật dạng cosin với thời gian gọi tắt là suất điện động xoay chiều: 0 0 e E cos( t )     1. Từ thông gởi qua khung dây: Từ thông gửi qua khung dây dẫn gồm N vòng dây có diện tích S quay trong từ trường đều B . Giả sử tại t = 0 thì:            0 (n,B) f NBScos( t ) cos(wt ) (Wb) Từ thông gởi qua khung dây cực đại  0 NBS ;  là tần số góc bằng tốc độ quay của khung (rad/s) Đơn vị:  : Vêbe(Wb); N: vòng; B: Tesla (T); S: 2 m . 2. Suất điện động xoay chiều tức thời: (t) d e NBSsin( t ) NBScos( t ) dt 2                   e =E0cos(t + 0). Đặt E0= NBS : Suất điện động cực đại; 0 2      Đơn vị :e, E0 (V)  Chu kì và tần số liên hệ bởi: 2 2 f 2 n T        với n là số vòng quay trong 1s.  Suất điện động do các máy phát điện xoay chiều tạo ra cũng có biểu thức tương tự như trên. II. Điện áp xoay chiều -Dòng điện xoay chiều. 1. Biểu thức điện áp tức thời: Nếu nối hai đầu khung dây với mạch ngoài thành mạch kín thì biểu thức điện áp tức thời mạch ngoài là: u = e – ir. Xem khung dây có 2 r 0  thì 0 0 u e E cos( t )      . Tổng quát : 0 u u U cos( t )     . 2. Khái niệm về 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 cosin, với dạng tổng quát: i = I0cos(t + i) * i: giá trị của cường độ dòng điện tại thời điểm t, được gọi là giá trị tức thời của i (cường độ tức thời). * I0 > 0: giá trị cực đại của i (cường độ cực đại).  n  B
4 *  > 0: tần số góc. * f: tần số của i. T: chu kì của i. * (t + ): pha của i. * i: pha ban đầu. 3. Độ lệch pha giữa điện áp u và cường độ dòng điện i. Đại lượng :      u i gọi là độ lệch pha của u so với i. Nếu  > 0 thì u sớm pha (nhanh pha) so với i. Nếu  < 0 thì u trễ pha (chậm pha) so với i. Nếu  = 0 thì u đồng pha (cùng pha) so với i. 4. Giá trị hiệu dụng: Dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng toả nhiệt như dòng điện một chiều. Xét về mặt toả nhiệt trong một thời gian dài thì dòng điện xoay chiều 0 i i I cos( t )     tương đương với dòng điện một chiều có cường độ không đổi có cường độ bằng 0 I 2 . "Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều bằng cường độ của một dòng điện không đổi,nếu cho hai dòng điện đó lần lượt đi qua cùng một điện trở trong những khoảng thời gian bằng nhau đủ dài thì nhiệt lượng toả ra bằng nhau. Nó có giá trị bằng cường độ dòng điện cực đại chia cho 2 ". Các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều: 0 I I 2  , U0 U 2  , E0 E 2  . * Lý do sử dụng các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều. - Khi sử dụng dòng điện xoay chiều, ta không cần quan tâm đến các giá trị tức thời của i và u vì chúng biến thiên rất nhanh, ta cần quan tâm tới tác dụng của nó trong một thời gian dài. - Tác dụng nhiệt của dòng điện tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện nên không phụ thuộc vào chiều dòng điện. - Ampe kế đo cường độ dòng điện xoay chiều và vôn kế đo điện áp xoay chiều dựa vào tác dụng nhiệt của dòng điện nên gọi là ampe kế nhiệt và vôn kế nhiệt, số chỉ của chúng là cường độ hiệu dụng và điện áp hiệu dụng của dòng điện xoay chiều. 5. Nhiệt lượng toả ra trên điện trở R trong thời gian t nếu có dòng điện xoay chiều i(t) = I0cos(t + i) chạy qua là: Q = RI2 t. 6. Công suất toả nhiệt trên R khi có dòng điệnxoay chiều chạy qua: P = R I2 . B. DẠNG TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI Dạng 1: Xác định suất điện động cảm ứng Phương pháp: Thông thường bài tập thuộc dạng này yêu cầu ta tính từ thông, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây quay trong từ trường. Ta sử dụng các công thức sau để giải: - Tần số góc:    0 2 n , Với n0 là số vòng quay trong mỗi giây bằng tần số dòng điện xoay chiều. - Biểu thức từ thông:       0 cos( t ) , Với 0 = NBS. - Biểu thức suất điện động:     0 e E sin( t )
5 Với E0 = NBS  ;   (B,n) lúc t = 0. - Vẽ đồ thị: Đồ thị là đường hình sin: có chu kì :    2 T , có biên độ: 0 E BÀI TẬP VẬN DỤNG Câu 1 (Quốc gia – 2017) Một máy phát điện xoay chiều ba pha đang hoạt động ổn định. Suất điện động trong ba cuộn dây của phần ứng có giá trị el, e2 và e3. Ở thời điểm mà e1 = 30 V thì│e2 - e3│= 30 V. Giá trị cực đại của e1 là: A. 51,9 V. B. 45,1 V. C. 40,2 V. D. 34,6 V. Hướng dẫn: Gia sử e1 = Ecosωt. Khi đó e2 = Ecos(ωt + 2 3  ) = Ecosωt cos 2 3  - Esinωt sin 2 3  e2 = Ecos(ωt + 2 3  ) = - 1 2 Ecosωt - 3 2 Esinωt e3 = Ecos(ωt - 2 3  ) = - 1 2 Ecosωt + 3 2 Esinωt  │ e2 - e3│ = E 3 sinωt = 3 Esinωt = 3 2 2 E 30  = 30  E 2 – 900 = 300  E 2 = 1200  E = 34.6 (V)  Chọn D Câu 2 (ĐH 2008): Một khung dây dẫn hình chữ nhật có 100 vòng, diện tích mỗi vòng 600 cm2 , quay đều quanh trục đối xứng của khung với vận tốc góc 120 vòng/phút trong một từ trường đều có cảm ứng từ bằng 0,2T. Trục quay vuông góc với các đường cảm ứng từ. Chọn gốc thời gian lúc vectơ pháp tuyến của mặt phẳng khung dây ngược hướng với vectơ cảm ứng từ. Biểu thức suất điện động cảm ứng trong khung là A. e 48 sin(40 t )(V). 2      B. e 4,8 sin(4 t )(V).      C. e 48 sin(4 t )(V).      D. e 4,8 sin(40 t )(V). 2      Hướng dẫn: Ta có:                  BScos t e N ' NBS sin t 4,8sin 4 t V.        Chọn D Câu 3 (Bến Tre – 2015): Từ thông qua mỗi vòng dây dẫn của một máy phát điện xoay chiều một pha có biểu thức 2 2.10 5 cos 100 t (Wb) 3              . Với stato có 4 cuộn dây nối tiếp, mỗi cuộn có 25 vòng, biểu thức của suất điện động xuất hiện trong máy phát là A. 5 e 2sin 100 t (V). 3            B. e 200sin 100 t )(V). 3           C. 5 e 200sin 100 t (V). 3            D. 5 e 2sin 100 t (V). 3           Hướng dẫn:
6 Ta có: e NBSsin t N sin t              0     2 2.10 5 5 e 100 . 4.25 . sin 100 t 2sin 100 t V. 3 3                          Chọn D Câu 4: Một khung dây dẫn phẳng có diện tích S = 50 cm2 , có N = 100 vòng dây, quay đều với tốc độ 50 vòng/giây quanh một trục vuông góc với các đường sức của một từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,1 T. Chọn gốc thời gian t = 0 là lúc vectơ pháp tuyến n của diện tích S của khung dây cùng chiều với vectơ cảm ứng từ B và chiều dương là chiều quay của khung dây. a. Viết biểu thức xác định từ thông  qua khung dây. b. Viết biểu thức xác định suất điện động e xuất hiện trong khung dây. c. Vẽ đồ thị biểu diễn sự biến đổi của e theo thời gian. Hướng dẫn: a. Khung dây dẫn quay đều với tốc độ góc: ω = 50.2π = 100π rad/s. Tại thời điểm ban đầu t = 0, vectơ pháp tuyến n của diện tích S của khung dây có chiều trùng với chiều của vectơ cảm ứng từ B của từ trường. Đến thời điểm t, pháp tuyến n của khung dây đã quay được một góc bằng t . Lúc này từ thông qua khung dây là:    NBScos( t) . Như vậy, từ thông qua khung dây biến thiên điều hoà theo thời gian với tần số góc ω và với giá trị cực đại (biên độ) là Ф0 = NBS. Thay N = 100, B = 0,1 T, S = 50 cm2 = 50. 10-4 m2 và ω = 100π rad/s ta được biểu thức của từ thông qua khung dây là :   0,05cos(100πt) (Wb) b. Từ thông qua khung dây biến thiên điều hoà theo thời gian, theo định luật cảm ứng điện từ của Faraday thì trong khung dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng. Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây được xác định theo định luật Lentz: (t) d e ' NBSsin( t) NBScos t dt 2                    Như vậy, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây biến đổi điều hoà theo thời gian với tần số góc ω và với giá trị cực đại (biên độ) là E0 = ωNBS. Thay N = 100, B = 0,1 T, S = 50 cm2 = 50. 10-4 m2 và ω = 100π rad/s ta được biểu thức xác định suất điện động xuất hiện trong khung dây là: e 5 cos 100 t 2            (V) hay e 15,7cos 314t 2          (V) c. t (s) e (V) 0 + 15,7 - 15,7 0,005 0,015 0,01 0,02 0,025 0,03