KHẢO SÁT MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ MỘT CHIỀU

THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 4 KHẢO SÁT MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ MỘT CHIỀU 1 Mục đích Khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở kim loại bằng cách vẽ đặc tuyến volt ampere của bóng.

THÍ NGHI M V T LÝ Đ I C Ệ Ậ Ạ ƯƠ NG 2

PH N CHU N B Ầ Ẩ Ị BÀI 4: KH O SÁT M CH ĐI N XOAY CHI U Ả Ạ Ệ Ề

VÀ M T CHI U Ộ Ề

1 M c đích ụ

Kh o sát s ph thu c nhi t đ c a đi n tr kim lo i b ng cách vẽ đ cả ự ụ ộ ệ ộ ủ ệ ở ạ ằ ặ tuy n volt-ampere c a bóng đèn dây tóc ế ủ

Kh o sát m ch đi n xoay chi u RC và RL d a trên c s áp d ng phả ạ ệ ề ự ơ ở ụ ương pháp gi n đ vector Fresnel và đ nh lu t Ohm đ i v i dòng đi n xoay chi u đả ồ ị ậ ố ớ ệ ề ể xác đ nh t ng tr , c m kháng và dung kháng c a các m ch đi n T đó xác đ nhị ổ ở ả ủ ạ ệ ừ ị

đi n dung c a t đi n và h s t c m c a cu n dây d n.ệ ủ ụ ệ ệ ố ự ả ủ ộ ẫ

2 Gi i thi u chung ớ ệ

Ngu n đi n xoay chi u và đi n m t chi u đồ ệ ề ệ ộ ề ượ ử ục s d ng r t nhi u và r tấ ề ấ quen thu c v i cu c s ng h ng ngày c a chúng ta Trong bài thí nghi m này, d aộ ớ ộ ố ằ ủ ệ ự vào ngu n đi n m t chi u, chúng ta sẽ ti n hành kh o sát s ph thu c c aồ ệ ộ ề ế ả ự ụ ộ ủ

hi u đi n th gi a hai đ u bóng đèn dây tóc vào cệ ệ ế ữ ầ ường đ dòng đi n qua bóngộ ệ đèn, đ ng th i xác đ nh đi n tr c a dây tóc bóng đèn nhi t đ phòng Ngoàiồ ờ ị ệ ở ủ ở ệ ộ

ra, chúng ta cũng kh o sát m ch đi n xoay chi u RC và RL, t đó xác đ nh giá trả ạ ệ ề ừ ị ị

đi n tr R, đi n dung C c a t đi n và đ t c m L c a cu n c m ệ ở ệ ủ ụ ệ ộ ự ả ủ ộ ả

Các d ng c thí nghi m chính đụ ụ ệ ượ ử ục s d ng trong bài 4 bao g m:ồ

1 Đ ng h đo đi n hi n s DT9205Aồ ồ ệ ệ ố +

2 Bóng đèn dây tóc 12V-3W

3 Đi n tr ệ ở R220

4 T đi n m u ụ ệ ẫ C20μF

5 Cu n c m m u ộ ả ẫ L x

6 B ng l p ráp m ch đi n ả ắ ạ ệ

7 Dây d n n i m ch đi n, dài 60cmẫ ố ạ ệ

8 Ngu n đi n đa năng 12V-3A/AC-DCồ ệ

3 An toàn khi th c hi n thí nghi m ự ệ ệ

Bài thí nghi m s d ng ngu n đi n xoay chi u và m t chi u, khi ti n ệ ử ụ ồ ệ ề ộ ề ế hành thí nghi m sinh viên c n th n an toàn đi n, s d ng đúng ch c năng ệ ẩ ậ ệ ử ụ ứ

ngu n đi n ồ ệ

C m phích, c m ngu n đi n ph i th t ch t và ch c p hi u đi n th cho ắ ắ ồ ệ ả ậ ặ ỉ ấ ệ ệ ế

m ch sau khi l p các thi t b m ch đi n đ y đ , ki m tra chính xác.ạ ắ ế ị ạ ệ ầ ủ ể

4 Tóm t t lý thuy t ắ ế

4.1 Đ ườ ng đ c tr ng Volt-Ampere c a bóng đèn dây tóc và s thay ặ ư ủ ự

đ i đi n tr bóng đèn dây tóc theo nhi t đ ổ ệ ở ệ ộ

Hình 4.1 M ch đi n bóng đèn dây tócạ ệ Xét m ch đi n g m ngu n đi n m t chi u ạ ệ ồ ồ ệ ộ ề U n cung c p đi n cho bóng ấ ệ đèn dây tóc Đ có đi n tr ệ ở R (Hình 4.1).

Khi đi u ch nh đi n áp đ u ra c a ngu n đi n ề ỉ ệ ầ ủ ồ ệ U n thì hi u đi n th ệ ệ ế U gi aữ hai đ u đèn đầ ược đo b ng volt k m t chi u ằ ế ộ ề V và cường đ dòng đi n ộ ệ I ch y ạ qua bóng đèn được đo b ng ampere k m t chi u A ằ ế ộ ề

Theo đ nh lu t Ohm đ i v i m ch đi n m t chi u, cị ậ ố ớ ạ ệ ộ ề ường đ dòng đi n ộ ệ I

ch y qua đo n m ch t l v i hi u đi n th ạ ạ ạ ỉ ệ ớ ệ ệ ế U gi a hai đ u đo n m ch và t l ữ ầ ạ ạ ỉ ệ ngh ch v i đi n tr ị ớ ệ ở R c a đo n m ch: ủ ạ ạ

U I R



(4.1)

N u ế R có giá tr không đ i thì ị ổ I t l b c nh t v i ỉ ệ ậ ấ ớ U Đ th ồ ị I  f U  - g i làọ

đường đ c tuy n volt-ampere, có d ng m t đặ ế ạ ộ ường th ng đi qua g c to đ v i ẳ ố ạ ộ ớ

h s góc:ệ ố

tan 1

R

 

(4.2)

Tuy nhiên, khi có dòng đi n ệ I ch y qua dây tóc đèn, lạ ượng nhi t ệ Q do hi u ệ

ng Joule-Lenz to ra trên đi n tr

ứ ả ệ ở R c a dây tóc trong th i gian ủ ờ  tính b ng (Vũằ Thanh Khi t, 2001):ế

2

Lượng nhi t này làm tăng nhi t đ và do đó làm thay đ i đi n tr ệ ệ ộ ổ ệ ở R c a ủ dây tóc bóng đèn K t qu là cế ả ường đ dòng đi n ộ ệ I ch y qua dây tóc đèn Đ khôngạ tăng t l tuy n tính theo hi u đi n th ỉ ệ ế ệ ệ ế U gi a hai đ u dây tóc đèn n a, nên đ c ữ ầ ữ ặ tuy n volt-ampere ế I  f U  c a dây tóc đèn có d ng m t đủ ạ ộ ường cong

Đi n tr dây tóc Vônfram c a bóng đèn ph thu c nhi t đ theo h th c:ệ ở ủ ụ ộ ệ ộ ệ ứ

0 1

t

trong đó R t và R0 là đi n tr c a dây tóc đèn ệ ở ủ ở t0C và 0 C0 , còn  và  là

các h s nhi t đi n tr ệ ố ệ ệ ở c a vônfram v i ủ ớ  4,82.103K-1 và  6,76.10 7K-2 (Vũ

Thanh Khi t, 2001) ế

Đi n tr ệ ở R0 c a dây tóc vonfram c a bóng đèn nhi t đ phòng có th ủ ủ ở ệ ộ ể xác đ nh b ng cách đo đi n tr c a nó nhi t đ phòng ị ằ ệ ở ủ ở ệ ộ t P và thay vào công th cứ (4.4) T đó ta tính đừ ược nhi t đ c a dây tóc bóng đèn khi th p sáng b ng hi u ệ ộ ủ ắ ằ ệ

th b t kỳ (ví d 10V).ế ấ ụ

4.2 M ch đi n xoay chi u RC và RL ạ ệ ề

a M ch đi n xoay chi u RC ạ ệ ề

Hình 4.2 S đ m ch đi n RCơ ồ ạ ệ

Đ t hi u đi n th xoay chi u ặ ệ ệ ế ề u có t n s ầ ố f vào hai đ u m ch đi n g m t ầ ạ ệ ồ ụ

đi n có đi n dung ệ ệ C m c n i ti p v i đi n tr ắ ố ế ớ ệ ở R (Hình 4.2)

Gi s dòng đi n xoay chi u ả ử ệ ề i ch y trong m ch RC th i đi m ạ ạ ở ờ ể t có d ng:ạ

0sin 2 ft 2 sin 2 ft

i I  I 

(4.5) Khi đó:

R C

uu u

(4.6)

Vì u R cùng pha v i ớ i, còn u C ch m pha so v i ậ ớ i, nên ta có th vi t (David ể ế Halliday, 2010):

2

2

uU  ft U   f t  









(4.7)

b M ch đi n xoay chi u RL ạ ệ ề

Hình 4.3 S đ m ch đi n RLơ ồ ạ ệ

Đ t hi u đi n th xoay chi u ặ ệ ệ ế ề u có t n s ầ ố f vào hai đ u m ch đi n g m ầ ạ ệ ồ

cu n dây d n có đi n tr thu n ộ ẫ ệ ở ầ r và h s t c m ệ ố ự ả L m c n i ti p v i đi n tr ắ ố ế ớ ệ ở R

(Hình 4.3)

Gi s dòng đi n xoay chi u ch y trong m ch RL th i đi m ả ử ệ ề ạ ạ ở ờ ể t có d ng ạ (David Halliday, 2010):

0sin 2 ft 2 sin 2 ft

i I  I 

(4.8) Khi đó:

R u r L

u u  u

(4.9)

A

V

∽

Vì u R và u r cùng pha v i ớ i , còn u L nhanh pha  / 2 so v i ớ i, nên ta có th ể

vi t:ế

2

n 2

u U  ft U  U   f t  







(4.10)

5 Chu n b ẩ ị

Nhi m v h c t p 1: ệ ụ ọ ậ D a vào giá tr đi n áp hi u d ng, cự ị ệ ệ ụ ường đ dòng đi n ộ ệ

hi u d ng qua m ch và các thi t b đi n đệ ụ ạ ế ị ệ ược đo b ng volt k và ampere k , ằ ế ế sinh viên hãy trình bày cách xác đ nh giá tr đi n tr ị ị ệ ở R và đi n dung ệ C c a t ủ ụ

đi n.ệ

S đ m ch đi n RC:ơ ồ ạ ệ

Dòng đi n ch y qua m ch: ệ ạ ạ

2 sin 2

iI  ft

M ch ạ RC, đi n áp t c th i gi a hai đ u m ch (gi a hai đi m ệ ứ ờ ữ ầ ạ ữ ể M và N):

2

u U  ft U   f  

Trong đó U R và U C l n lầ ượt là giá tr hi u d ng c a đi n áp gi a hai đ u đi n ị ệ ụ ủ ệ ữ ầ ệ

tr ở R và hai đ u t đi n ầ ụ ệ C:

Theo đ nh lu t Ohm ta có:ị ậ

R R

C C

Tuy nhiên

1 2

C Z

fC





nh v y:ư ậ

I C

fU





Xác đ nh t ng tr c a m ch đi n RC:ị ổ ở ủ ạ ệ

2

u U  ft U   f  

C n xác đ nh: ầ ị

 Cường đ hi u d ng I c a dòng đi n ch y qua m ch b ng Ampe k ộ ệ ụ ủ ệ ạ ạ ằ ế

 Đi n áp hi u d ng gi a hai đ u đi n tr ệ ệ ụ ữ ầ ệ ở U R b ng Volt k ằ ế

 Đi n áp hi u d ng gi a hai đ u t đi n ệ ệ ụ ữ ầ ụ ệ U C b ng Volt k ằ ế

 T n s c a dòng đi n đang dùng.ầ ố ủ ệ

Dùng các công th c v a xây d ng đ tìm giá tr c a R và đi n dung C c a t ứ ừ ự ể ị ủ ệ ủ ụ

Nhi m v h c t p 2: ệ ụ ọ ậ D a vào giá tr đi n áp hi u d ng và cự ị ệ ệ ụ ường đ dòng ộ

đi n hi u d ng qua m ch và các thi t b đi n đệ ệ ụ ạ ế ị ệ ược đo b ng volt k và ampere ằ ế

k , sinh viên hãy trình bày cách xác đ nh giá tr đi n tr ế ị ị ệ ở R và đ t c m ộ ự ả L c a ủ

cu n dây (gi s đã bi t giá tr đi n tr trong ộ ả ử ế ị ệ ở r c a cu n dây).ủ ộ

S đ m ch đi n RL:ơ ồ ạ ệ

Cường đ dòng đi n ch y qua m ch:ộ ệ ạ ạ

2 sin 2

iI  ft

Do dây qu n cu n dây có đi n tr r, nên bi u th c đi n áp hai đ u m ch cóấ ộ ệ ở ể ứ ệ ầ ạ

d ng:ạ

2

u U  ft U  f U   f  

Vẽ gi n đ Fresnel:ả ồ

U: là hi u đi n th hi u d ng gi a hai đ u m ch.ệ ệ ế ệ ụ ữ ầ ạ

Khi m c volt k đo hi u đi n th gi a hai đ u cu n dây, s ch c a volt kắ ế ệ ệ ế ữ ầ ộ ố ỉ ủ ế

rL

U cho bi t:ế

2 2

Chia hai v cho giá tr ế ị I đo được b i ampere k :ở ế

L

N u bi t đi n tr r c a cu n dây, ta tìm đế ế ệ ở ủ ộ ược c m kháng c a cu n dây theoả ủ ộ công th c:ứ

2 2

rL L

U

I

Đ t c m c a cu n dây:ộ ự ả ủ ộ

2 2

2

rL

L L

U

r I

Z



Xét đi n tr ệ ở R, ta có:

R

U R I



U R là giá tr hi u d ng c a đi n áp gi a hai đ u đi n tr trong m ch ị ệ ụ ủ ệ ữ ầ ệ ở ạ RL.

C n xác đ nh:ầ ị

 Giá tr hi u d ng c a cị ệ ụ ủ ường đ dòng đi n m ch 2 b ng ampe k ộ ệ ở ạ ằ ế

 Giá tr hi u d ng c a đi n áp gi a hai đ u đi n tr trong m ch 2 b ngị ệ ụ ủ ệ ữ ầ ệ ở ạ ằ Volt k ế

 Giá tr hi u d ng c a đi n áp gi a hai đ u cu n dây b ng Volt k ị ệ ụ ủ ệ ữ ầ ộ ằ ế

 Đ c t n s c a dòng đi n, giá tr đi n tr c a cu n dây.ọ ầ ố ủ ệ ị ệ ở ủ ộ

Nhi m v h c t p 3: ệ ụ ọ ậ Sinh viên quan sát b d ng c thí nghi m và th c hi n ộ ụ ụ ệ ự ệ

nh ng yêu c u sau đây: ữ ầ

1 Trình bày tóm t t công d ng c a các d ng c , thi t b trong b ng 4.1 đ ắ ụ ủ ụ ụ ế ị ả ể

th c hi n thí nghi m trong bài này ự ệ ệ

2 Tìm hi u cách s d ng đ ng h và cách tính sai s d ng c này Sau đó trìnhể ử ụ ồ ồ ố ụ ụ bày tóm t t: ắ

- Cách tính sai s d ng c ố ụ ụ

- Cách s d ng đ ng h đ đo hi u đi n th , cử ụ ồ ồ ể ệ ệ ế ường đ dòng đi n m t chi u, ộ ệ ộ ề xoay chi u và đo đi n tr ề ệ ở

- Các l u ý khi s d ng đ ng hư ử ụ ồ ồ

1 Trình bày tóm t t công d ng c a các d ng c , thi t b trong b ng 4.1 ắ ụ ủ ụ ụ ế ị ả

đ th c hi n thí nghi m trong bài này ể ự ệ ệ

Tên d ng c ụ ụ Hình nh minh h a ả ọ Công d ng ụ

Đ ng h đoồ ồ

đi n hi n sệ ệ ố

Đo hi uệ

đi n thệ ế (xoay chi u/ m tề ộ chi u), đoề

cường độ dòng đi nệ (xoay chi u/ m tề ộ chi u), đoề

đi n trệ ở

Bóng đèn dây

tóc 12V-3W

Dây tóc là

m u c nẫ ầ

kh o sátả

Đi n trệ ở

220

R  và

b ng l p rápả ắ

m ch đi nạ ệ

M u đi nẫ ệ

tr c n đoở ầ

T đi n m uụ ệ ẫ

20

C  F

M c m chắ ạ

RC, m uẫ

c n đo đi nầ ệ dung

Cu n c mộ ả

m u ẫ L x

M c m chắ ạ

RL, m uẫ

c n đo hầ ệ

s t c m Lố ự ả

Dây d n n iẫ ố

m ch đi n,ạ ệ

dài 60cm

K t n i cácế ố thi t b ,ế ị

d ng c đ ,ụ ụ ọ ngu n.ồ

Ngu n đi nồ ệ

đa năng

12V-3A/AC-DC

Cung c pấ dòng đi nệ

m t chi uộ ề

ho c xoayặ chi u choề các m ch.ạ

2 Tìm hi u cách s d ng đ ng h và cách tính sai s d ng c này Sau ể ử ụ ồ ồ ố ụ ụ

đó trình bày tóm t t: ắ

- Cách sử dụng đồng hồ và các lưu ý khi sử dụng đồng hồ:

Cẩn thận trọng khi sử dụng các thang đo hiệu điện thế, dòng điện nhỏ (thang

200mV, 2mA ) Nếu sơ ý để hiệu điện thế hoặc dòng điện lớn hơn giới hạn các thang

đo này, thì có thể gây cháy hỏng đồng hồ Vì vậy, nhất thiết phải tuân thủ các quy

tắc sau đây:

+ Không được chuyển đổi thang đo khi đang có điện đặt ở đầu vào của đồng hồ + Không đặt điện áp và dòng điện vượt quá giới hạn thang đo Khi chưa biết giá trị của đại lượng đo, ta phải đo thăm dò với thang đo lớn nhất Sau đó, ngắt đồng hồ khỏi mạch điện, rồi mới vặn núm chuyển macḥ X để chọn thang đo thích hợp

+ Để đo các dòng điện nhỏ hơn 200mA ta dùng hai dây đo cắm vào lỗ COM và lỗ

“mA” trên đồng hồ Hai đầu còn lại của dây đo được mắc nối tiếp với đoạn mạch.

Chuyển mạch chọn thang đo X đặt ở “200” trên dải đo dòng điện một chiều (kí hiệu là

A=), hoặc ở dải thang đo dòng điện xoay chiều (kí hiệu là A~) tùy theo đại lượng cần

đo

+ Sau lỗ cắm “mA”, trong đồng hồ có cầu chì bảo vệ: nếu dòng điện đo vượt quá

giới hạn của thang đo, lập tức cầu chì bị cháy đứt và các thang đo dòng nhỏ sẽ ngưng

hoạt động cho đến khi cầu chì được thay mới Điều tai hại tương tự cũng xảy ra nếu ta mắc ampe kế song song với hai đầu đoạn mạch có hiệu điện thế khác không

Hãy rất thận trọng khi sử dụng các thang đo dòng, không để cháy cầu chì!

Để đo dòng điện có cường độ I > 200mA, ta cắm hai dây đo vào lỗ “COM” và

“10A” của đồng hồ, rồi mắc hai đầu dây còn lại nối tiếp với mạch điện cần đo Vặn

núm chọn thang đo X đến vị trí 10 của dải thang đo dòng một chiều (A=), hoặc vị trí

10 của thang đo dòng xoay chiều (A~) Sau lỗ “10A” không có cầu chì bảo vệ, nên

khi xảy ra đoản mạch thường gây cháy nổ ở mạch ngoài hoặc ở nguồn điện

Tóm lại, chọn thang đo đúng và không nhầm lẫn khi thao tác đo thế và dòng là

hai yếu tố cần thiết để bảo vệ đồng hồ

Để đo hiệu điện thế một chiều, xoay chiều, hoặc đo điện trở, ta cắm hai dây đo vào

hai lỗ “COM” và “V” của đồng hồ, rồi mắc hai đầu dây còn lại song song với đoạn mạch cần đo Vặn núm chọn thang đo X đến vị trí thích hợp của dải thang đo hiệu

điện thế một chiều (V=), hoặc xoay chiều (V~) , hoặc thang đo điện trở () thích hợp.

- Cách xác định sai số tuyệt đối của đại lượng đo trực tiếp bằng thiết bị đo hiện số:

Đồng hồ là dụng cụ đo điện đa năng hiện số loại 3 1/2 digit có 2000 điểm đo (từ 0 đến 1999) Giả sử chuyển mạch chọn thang đo X được đặt ở dải đo hiệu điện thế một chiều (V=) tại vị trí 20 (ứng với giới hạn đo Umax = 20V) Nếu giá trị hiệu điện thế đo được hiển thị trên đồng hồ là U, thì sai số dụng cụ của phép đo U tính theo công thức:

trong đó  là độ phân giải của thang đo, tính bằng giá trị của mỗi điểm đo:

20

0, 01 2000

V

V

còn  % là cấp chính xác của thang đo (tính bằng sai số tỉ đối của giới hạn thang đo) và n = 1, 2, 3 là các số nguyên Giá trị  , n do nhà sản xuất qui định cho mỗi

thang đo, được ghi trong tài liệu hướng dẫn sử dụng của đồng hồ Với các thang đo thế và dòng khác, sai số cũng được tính tương tự như trên

- Sai số tỉ đối của điện dung C

Ta có: 2 C

I C

f U





Lấy ln hai vế: lnC lnIln 2 ln  lnf ln U C

Lấy vi phân hai vế rồi thay “d” bằng “”, đổi dấu “–” thành “+”, ta được:

 

 

0.001 3.142

C

C

U

C

f















 

 

- Sai số tỉ đối của hệ số tự cảm

Độ tự cảm của cuộn dây:

1/2 2

2

rL L

U

I

   

Lấy ln hai vế 1  2 2 2 2

2

Z   U I r  I 

Lấy vi phân hai vế rồi thay “d” bằng “”, đổi dấu “–” thành “+”, ta được:

 

 

.

L

Z







 

 

2

.

L

rL rL rL

rL

f

U I I r















  