Chuyên đề dòng điện biến đổi trong mạch có r l c điot

Không đề cập đến dòng điện nạp cho tụ trong tình huống đó, cũng có thể hiểu là có dòng điện cực lớn trong thời gian vô cùng nhỏ khi có bước nhảy về hiệu điện thế Ví dụ 1: đóng mạch nạp đ

Chuyên đề: DÒNG ĐIỆN BIẾN ĐỔI

TRONG MẠCH ĐIỆN CÓ R,L,C,DIOT

A Mở đầu

I Lý do chọn đề tài:

Học sinh đội tuyển vật lý của trường THPT Chuyên Lào Cai chưa bao giờ cảm thấy dễ dàng khi tiếp cận “Bài toán dòng điện biến đổi trong mạch có

R,L,C,Điot” Các em luôn thấy lúng túng, muốn buông khi đối mặt với nhiều bài tập trong phần này vì tác dụng của từng phần tử trong mạch là rất khác nhau, nhất là khi chúng phối hợp với nhau trong các điều kiện ban đầu khác nhau

II Mục đích

Tôi thực hiện chuyên đề này để làm tài liệu cho bản thân và học sinh đội tuyển vật lý sử dụng và liên tục chỉnh sửa, thêm dữ liệu theo các năm để ngày càng hoàn thiện và có ích hơn

III Thực hiện và kết quả

- Thực hiện: tài liệu đã được sử dụng trong quá trình dạy đội tuyển vật lý K15

Và ôn đội tuyển quốc gia

- Kết quả: học sinh đã dễ dàng tiếp cận và làm chủ kiến thức hơn Chủ động phân tích, dự đoán diễn biến vật lý trong mạch điện chính xác hơn Lượng bài tập thực hiện được trong phần này đã được cải thiện

B Nội dung

I Dòng điện qua R, L, C, Điot trong một số mạch điện một chiều

Trong phần này tôi trình bày một số cách nghĩ về tác dụng của từng

phần tử R,L,C,Điot trong mạch điện Trong đó có so sánh tương đối

tác dụng của chúng với một số đối tượng vật lý thân thuộc mà thường học sinh đã hiểu rõ tác dụng, để các em dễ dàng làm chủ kiến thức

hơn.

1 Điện trở không đổi

Đặc tuyến U-I là tuyến tính Phản ứng tức thời với mọi sự thay đổi hiệu điện thế

+ Biểu thức định luật ôm cho đoạn mạch

2 Tụ điện

Tụ điện lý tưởng là phần tử có khả năng tích điện hoặc phóng điện ngay lập tức Phản ứng tức thời với sự thay đổi hiệu điện thế Nếu hiệu điện thế có bước nhảy (đóng hoặc ngắt khóa điện) thì điện tích trên tụ cũng có bước nhảy theo vì đặc tuyến q-u là tuyến tính Không đề cập đến dòng điện nạp cho tụ trong tình huống

đó, cũng có thể hiểu là có dòng điện cực lớn trong thời gian vô cùng nhỏ khi có bước nhảy về hiệu điện thế

Ví dụ 1: đóng mạch nạp điện cho tụ bằng một hiệu điện thế cố định

Ví dụ 2: Tụ đã tích điện nạp cho 1 tụ chưa tích điện – đóng mạch

Ví dụ 3: Làm chậm quá trình tích điện ở ví dụ 2 cho tụ bằng điện trở

3 Cuộn cảm

Hệ số tự cảm L là đại lượng đặc trưng cho khả năng xảy ra cảm ứng điện từ trên cuộn cảm Trong mạch điện L chỉ đáng kể trên một số phần tử có cấu tạo đặc biệt như cuộn dây, dây soắn, môi trường bên trong có độ từ thẩm cao…

- Vận tốc lớn sẽ trang bị năng lượng cho 1 hòn đá dưới dạng động năng mv2/2

Cũng tương tự dòng điện lớn sẽ trang bị năng lượng cho 1 cuộn cảm dưới dạng năng lượng từ Li2/2 Vậy L có ý nghĩa như m Ta có thể hiểu nó đặc trưng cho mức quán tính của cuộn dây M làm khó thay đổi vận tốc như thế nào thì L làm khó thay đổi dòng điện như thế Dưới tác dụng lực, vật sẽ thay đổi vận tốc một cách liên tục thì dưới tác dụng của một hiệu điện thế dòng điện qua cuộn dây cũng sẽ thay đổi một cách liên tục Vậy dòng điện qua L không thể bất chợt có bước nhảy gián đoạn được

Vd1: nguồn không đổi U phóng điện qua cuộn dây (Khi ngắt dòng qua cuộn dây thì có thể hiểu là dòng đột ngột biến mất nên cuộn dây bức xạ năng lượng từ trường vào không gian cũng như khi một vật đang chuyển động thì đột ngột va chạm với phần tử khác thì động năng của nó cũng đột ngột thay đổi)

Vd2: Nguồn không đổi U phóng điện qua một điện trở và cuộn dây

Vd3: tụ đã nạp điện phóng điện qua cuộn dây

Vd4: tụ đã nạp điện phóng điện qua điện trở và cuộn dây

Vd5: Cuộn dây đang có dòng điện thì ngắt nguồn -> tạo dòng điện phóng qua nhánh khác có điện trở

4 Điot

Điot là phần tử chỉ cho phép dòng điện qua nó theo một chiều Hoạt động do sự phân cực

TH1: Điot lý tưởng

U > 0 => ko cản trở dòng điện Tác dụng như 1 dây dẫn

U < 0 => không cho dòng điện đi qua

Vậy nếu có một dòng điện xoay chiều tác dụng lên điot thì khi i > 0 thì Đ mở Khi i = 0 => diot đóng Vậy sau đó nó đóng đến bjo vì i đang liên tục = 0 Đến đây lại áp dụng điều kiện mở của diot là lúc nó được phân cực thuận U > 0

TH2: điot hoạt động theo một đặc tuyến cho sẵn

VD: …

Khi đó có thể xác định một hàm số hoạt động của điot trong đó có thể có điện trở hoạt động R = du/di

II Bài tập cơ sở

- Dưới đây là một số bài tập tôi lựa chọn trong tài liệu phổ thông có

sẵn nên sẽ không mất thời gian gõ lại đề bài nữa.

- “Hướng dẫn giải” ở mỗi bài là cách tiếp cận đề bài để suy luận ra

diễn biến vật lý mà đề bài đưa ra Qua đó học sinh dễ dãng hơn để

xác định kiến thức cần sử dụng để diễn tả các diễn biến đó và đồng

thời cũng có các điều kiện biên để tính được giá trị các đại lượng đặc trưng ở cuối bài giải.

- Sử dụng các bài tập trong “Những chuyên đề nâng cao Vật Lý

trung học phổ thông” tr253-302

Bài 1: tr253

Hướng dẫn giải

Giai đoạn 1: C được nạp điện từ nguồn thông qua một điện trở Vậy đây là quá trình nạp điện chậm theo lý thuyết đã trình bày trên

Giai đoạn 2: Khi đóng thêm khóa K2: ta có thêm một mạch kín qua cuộn dây

Để ý tác dụng cản trở dòng điện của cuộn dây ta sẽ biết được giá trị cường độ dòng điện qua cuộn dây phải tăng dần từ 0

Bài 2: tr254

Hướng dẫn giải:

Giai đoạn 1: khi vừa đóng K thì điot bị phân cực ngược nên chỉ có dòng điện phóng từ C qua cuộn dây Do tác dụng đã biết của cuộn dây nên dòng điện này tăng dần từ 0 và có xu hướng biến đổi theo hàm điều hòa

Giai đoạn 2: Khi i cực đại, hiệu điện thế của tụ = 0 và có xu hướng chuyển âm Khi đó điot được phân cực thuận và tự động mở co dòng điện đi qua L2 Khi dòng điện phóng ngược lại qua C = 0 lần tiếp theo là lúc điện áp trên tụ đạt giá trị cực đại

Bài 3:tr256

Hướng dẫn giải:

Đóng K thì có dòng điện tăng dần từ 0 do tác dụng của L Dùng định luật Ôm sẽ viết được biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch theo thời gian Từ đó tìm được thời điểm dòng điện cực đại và bằng 0 Khi cường độ dòng điện bằng 0 thì điện áp có xu hướng phân cực ngược cho điot ở thời điểm tiếp theo Vậy từ

đó điện áp trên tụ đạt giá trị ổn định vì điot đóng mãi

Bài 4, bài 5: Hiện tượng không có gì đặc biệt

Bài 6: tr261

Hướng dẫn giải:

C1: dùng các định luật về dòng điện trong mạch viết được biểu thức liên quan giữa điện tích qua dây nối với cường độ dòng điện qua cuộn dây Lấy tích phân với cận của dòng điện qua cuộn dây tính được Thời điểm đầu i = 0; thời điểm

ổn định thì không còn hiện tượng cảm ứng điện từ nên tính được iổn định qua L

C1: Dùng các định luật về dòng điện trong mạch và viết được biểu thức phụ thuộc thời gian của dòng điện qua dây nối A với B

Tính tích phân theo thế cận thời gian từ 0 – vô cùng được điện tích dịch chuyển qua dây nối

Câu 7: tr262

Hướng dẫn giải:

Lý giải về hiện tượng xảy ra khi tăng giảm L:

Thời điểm i = 0: do không có năng lượng trong từ trường nên thay đổi L không làm biến đổi năng lượng trong mạch

Thời điểm i khác 0 thì thay đổi L cũng làm thay đổi i: Ldi = -idL (biến đổi từ ec)

Qua đó làm thay đổi năng lượng từ trường trong cuộn dây Vậy việc giảm L ở thời điểm i max trong đề bài đóng vai trò bù năng lượng trong mạch Vậy điều kiện để duy trì được dao động là năng lượng bù lớn hơn hoặc bằng năng lượng hao phí ở điện trở trong nửa chu kỳ

Câu 1: tr266

Khi mạch kín và đã ổn định tính được dòng điện qua cuộn dây và tụ điện

Khi ngắt mạch toàn bộ năng lượn từ tụ và cuộn dây sẽ dần tỏa thành nhiệt ở điện trở

Câu 2: tr 267

Đóng khóa K: ngay sau đó tụ được tích đầy điện Dòng điện qua cuộn dây tăng dần tuyến tính theo thời gian

Ngắt K: ta có mạch dao động LC lý tưởng nên tìm điều kiện ucmax = 2E là đơn giản

Câu 3: tr268

Lưu ý 1: Cần hiểu việc nạp lại y như ban đầu của tụ C là lấy lại đúng điện tích cùng dấu y như ban đầu (thời gian diễn biến là T chứ không phải nửa chu kỳ như hs hay nghĩ)

Lưu ý 2: Cần hiểu điện tích di chuyển qua là điện tích đi qua hay đổi chiều đi ngược lại đều được đếm

Câu 4: tr270

Lưu ý trường hợp cuộn dây bị thay đổi tức thời hệ số tự cảm khi có dòng điện khác 0 thì từ thông qua nó không thay đổi (cơ sở là suất điện động cảm ứng trên cuộn dây ec = - tốc độ biến thiên từ thông Nhưng xét trong thời gian vô cùng nhỏ thì từ thông chưa kịp biến đổi)

Câu 6: tr 273:

Là câu làm rõ thêm hiện tượng từ bài 2 tr254 về mặt diễn biến thời gian của dòng điện qua mỗi phần tử Đã được hướng dẫn bên trên

III Bài tập nâng cao

Lưu ý: Đây là phần tài liệu chọn lọc được từ internet Dùng để học sinh tự giải quyết trên cơ sở là đã thực hiện xong các bài tập phía trên

C Kết luận

- Để thực hiện tốt chuyên đề học sinh cần được trang bị tốt kiến thức cần thiết sau

+ Phép tính tích phân, đạo hàm

+ Biến đổi lượng giác cơ bản

+ Kiến thức về các dạng năng lượng, thực hiện công và bảo toàn năng lượng

- Chuyên để sẽ được bổ xung thêm lượng bài tập sau mỗi năm để ngày càng hoàn thiện hơn

D Tài liệu tham khảo

- SGK vật lý chuyên 11

- Những chuyên đề nâng cao Vật Lý trung học phổ thông

- Tài liệu khai thác từ mạng internet