Dòng điện xoay chiều dao động điện từ

Dòng điện xoay chiều Cho khung dây quay đều trong từ trường khi đó từ thông qua khung dây biến thiên: NBScos t Trong đó: ω: tốc độ quay của khung dây ϕ: góc hợp bởi n và B ở thời điể

A DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

I ĐẠI CƯƠNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1 Từ thông

Từ thông qua diện tích S được tính bởi công thức:

Trong đó:

N: Số vòng dây B: Độ lớn cảm ứng từ (T)

S: Diện tích (m2) α: Góc giữa vecto pháp tuyến của mặt

phẳng khung dây và vecto cảm ứng từ (rad)

2 Hiện tượng cảm ứng điện từ

Khi từ thông qua một khung dây biến thiên thì trong khung xuất hiện một suất điện động gọi là suất điện động cảm ứng

C

d

dt

φ

= −

Trong toán học, ta tính eCbằng đạo hàm của φ theo thời gian

3 Dòng điện xoay chiều

Cho khung dây quay đều trong từ trường khi đó từ thông qua khung dây biến thiên:

NBScos t

Trong đó:

ω: tốc độ quay của khung dây

ϕ: góc hợp bởi n

và B

ở thời điểm t = 0 Trong khung dây xuất hiện suất điện động cảm ứng: e= −φ'(t)= ωNBSsin(ω + ϕ t )

Suất điện động biến đổi theo thời gian theo định luật dạng sin gọi là suất điện động xoay chiều

Điện xoay chiều là chương học có lẽ là khó nhất trong chương trình vật lý 12 Chương này khó vì rất nhiều công thức, dạng bài và luôn có câu hỏi phân loại học sinh mức VDC rất khó Khác với chương điện thì chương dao động điện từ nó dễ

thở hơn rất nhiều Do đó các em nên học thật kỹ chương này nhé !!!

Trong đề thi THPT QG 2021, Điện Xoay chiều & Dao động điện từ có:

- 3 câu nhận biết ( 1 câu của chương IV)

- 4 câu thông hiểu (1 câu của chương IV)

- 2 câu Vận dụng

- 2 câu Vận dụng cao

NOTE

DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU & DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ

HDedu - Page 1

Đặt suất điện động xoay chiều vào hai đầu đoạn mạch thì trong mạch có dòng điện xoay chiều và ở hai đầu mạch có điện áp xoay chiều

Trong đó:

u, i: Giá trị tức thời U , I0 0: Biên độ

ω: Tần số góc ϕ ϕu, i:: Pha ban đầu

Độ lệch pha của u so với i: ϕ = ϕ − ϕ u i

- Nếu ϕ > 0 thì u sớm pha so với i

- Nếu ϕ = 0 thì u cùng pha với i

- Nếu ϕ < 0 thì u trễ pha so với i

Chu kì của dòng điện xoay chiều: T=2π(s)

ω

Tần số của dòng điện xoay chiều: f 1 (Hz)

ω

π

Cường độ dòng điện hiệu dụng: I0

I 2

= Điện áp hiệu dụng: U0

U 2

=

Chú ý: Trong đời sống, trên các thiết bị điện thường ghi giá trị hiệu dụng

Mạng điện dân dụng nước ta có giá trị hiệu dụng U = 200V, tần số f = 50 Hz

II MẠCH ĐIỆN CHỈ CÓ MỘT PHẦN TỬ

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1 Biểu diễn bằng vecto quay

Tương tự như đối với dao động điều hòa, các dao động điện cũng được biểu

diễn bằng các vectơ quay:

i I

↔

↔





Ta thường biểu diễn I

nằm ngang làm chuẩn và biểu diễn sư lệch pha u, i trên giản đồ

2 Đoạn mạch xoay chiều chỉ có điện trở thuần

Điện trở thuần R cho dòng điện xoay chiều đi qua và cản trở nó theo định

luật Ôm

0

0

U cos t u

ω

Vậy trong đoạn mạch chỉ có điện trở thuần thì u và i cùng pha nhau và có

0 0

U I R

Trong các bài tập ta thường sử dụng biểu thức trên đối với giá trị hiệu dụng: I U

R

=

3 Đoạn mạch xoay chiều chỉ có tụ điện

Ở lớp 11 ta biết rằng tụ điện không cho dòng điện một chiều chạy qua nó

Tụ điện cho dòng điện xoay chiều đi qua và cản trở nó Đặc trưng bởi dung kháng: ZC 1

C

= ω

Trong đó:

ZC: dung kháng (Ω) ω: tần số góc (rad/s) C: điện dung (F)

Khi đó cường độ dòng điện hiệu dụng tính bởi biểu thức:

C

U I Z

=

Tụ điện làm cho u trễ pha hơn i một góc

2

π

Vì u và i vuông pha với nhau nên ta có hệ thức độc lập với thời gian:

1

4 Đoạn mạch xoay chiều chỉ có cuộn cảm

Ở lớp 11 ta biết rằng cuộn cảm không cản trở dòng điện một chiều

Cuộn cảm cho dòng điện xoay chiều đi qua và cản trở nó Đặc trưng bởi cảm kháng: ZL = ω L

Trong đó:

ZL: Cảm kháng (Ω) ω: Tần số góc (rad/s) L: Độ tự cảm (H)

Khi đó cường độ dòng điện hiệu dụng tính bởi biểu thức:

L

U I Z

=

Cuộn cảm làm cho u sớm pha hơn i một góc

2

π

Vì u và i vuông pha với nhau nên ta có hệ thức độc lập với thời gian:

1

Chú ý: Nếu cuộn cảm cỏ điện trở thuần r (cuộn không thuần cảm) ta coi nó như một cuộn cảm thuần mắc nối tiếp với một điện trở thuần r

5 So sánh các đoạn mạch chỉ chứa một phần tử

Cản trở dòng

điện Điện trở R(Ω)

Cảm kháng L

Z = ω Ω L( )

Dung kháng

C

1

C

Cường độ dòng

điện hiệu dụng I=UR

L

U I Z

C

U I Z

Phần tử

So sánh

HDedu - Page 3

Quan hệ u với i

về pha

u cùng pha với i

u sớm pha hơn i góc

2

π

u trễ pha hơn i góc

2

π

Biểu thức liên

hệ u với i i=Ru

1

1

III MẠCH CÓ R, L, C MẮC NỐI TIẾP

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1 Các giá trị tức thời

Xét đoạn mạch gồm điện trở thuần R, cuộn cảm thuần có độ tự

cảm L và tụ điện có điện dung C mắc nối tiếp

Đặt vào hai đầu mạch một điện áp xoay chiều

0cos

u =U ω ϕt+

Ta thấy điện áp hai đầu điện trở, cuộn cảm và tụ điện biến thiên điều hòa

Tại 1 thời điểm các giá trị tức thời của điện áp hai đầu điện trở, cuộn cảm và tụ điện lần lượt là u R,

L

u , u C Ta luôn có: u =u R+u L +u C

2 Giản đồ vectơ ( giản đồ Fre-nen)

Để tìm mối liên hệ u và i trong mạch RLC nối tiếp ta sử dụng giản đồ:

Chọn vectơ I

nằm ngang làm chuẩn

Biểu diễn u R cùng pha với i

Biểu diễn u L sớm pha hơn i

Biểu diễn u C trễ pha hơn i

( Xét trường hợp UL > UC)

Nhận xét: u Lvà u Cđều vuông pha với uR, u L ngược pha với u C

Với đoạn mạch RLC mắc nối tiếp ta có: U   =U R +U L +U C

Ta tổng hợp U L +U C

trước vì hai vectơ này cùng phương, ngược chiều nhau: U L+U C = U L−U C

Xét tam giác vuông OAB ta có: 2 ( )2

U = U + U −U

Nhận xét: Từ biểu thức tính U ta thấy trong mạch RLC nối tiếp U R ≤ U

Mà ta có: U R =I R U ; C =I Z U C; L = I Z L

2

L C

U I

⇒ =

L C

U

Z

tan Z L Z C

R

ϕ = −

Ta gọi Z là tổng trở của đoạn mạch

Trong tam giác OAB ta tính được độ lệch pha giữa u và i:

L C

Z >Z ta gọi là mạch có tính cảm kháng Khi đó u sớm pha hơn i (ϕ <0)

L C

Z <Z ta gọi là mạch có tính dung kháng Khi đó u trễ pha hơn i (ϕ >0)

3 Hiện tượng cộng hưởng điện

Khi ta thay đổi sao cho Z L =Z C ta thấy:

• Tổng trở của mạch đạt giá trị cực tiểu: Zmin = R

• Cường độ dòng điện hiệu dụng đạt giá trị cực đại: max

U I

R

=

• Các điện áp tức thời: u L = − u C

• u cùng pha với i

Hiện tượng trên gọi là hiện tưởng cộng hưởng Khi đó: 1

LC

ω =

IV CÔNG SUẤT CỦA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1 Công suất của dòng điện chạy qua một đoạn mạch

Ở lớp 11 ta đã biết rằng công suất của dòng điện chạy qua một đoạn mạch là đại lượng đặc trưng cho tốc độ thực hiện công của dòng điện và được tính bởi:

A

t

Đó cũng chính là công suất tiêu thụ điện của đoạn mạch đó

Công suất tỏa nhiệt trên điện trở R: 2 2

U

R

2 Công suất tức thời của dòng điện xoay chiều

Trong đoạn mạch xoay chiều, công suất tiêu thụ của đoạn mạch ở mỗi thời điểm có 1 giá trị khác nhau do u và i liên tục thay đổi Công suất ở mỗi thời điểm xác định gọi là công suất tức thời

p=u i

Do công suất tức thời luôn thay đổi nên để đặc trưng cho công suất tiêu thụ của dòng điện xoay chiều ta lấy trung bình giá trị của công suất tức thời gọi là công suất trung bình hay công suất của

dòng điện xoay chiều

W VA rad

Từ giản đồ vectơ đối với mạch RLC, ta có:

ϕ= =

Đại lượng cosϕ được gọi là hệ số công suất của đoạn mạch xoay chiều

Trong đoạn mạch RLC cuộn cảm và tụ điện không tiêu thụ công suất mà chỉ có điện trở nên công suất của mạch RLC chính là công suất tỏa nhiệt trên điện trở

cos

P=UI ϕ

2 2

U R

P I R

R

Từ đó ta thấy khi đoạn mạch xảy ra cộng hưởng thì công suất và hệ số công suất cực đại

HDedu - Page 5

Trường hợp Công thức giải nhanh

Thay đổi L để Imax, Pmax,Zmin, cosϕ = , u và i 1

cùng pha

Khi đó mạch xảy ra cộng hưởng Z L =Z C

max max min

R

=







Thay đổi L để U L cực đại

2 2

C L

C

Z

Z

+

C L

U R Z U

R

+

=

Khi đó U RC vuông pha với u

L R C

U =U +U +U

Khi thay đổi L có hai giá trị L cho cùng giá trị

P, I, U R để Pmax, Imax,U Rmax thì

1 2

2

L L

L= +

Ta có: 1 2

2

L L C

Khi thay đổi L có hai giá trị của L mà U L

không đổi Để U Lmax

1 2

1 2

2 L L L

L L

= +

Để U RL không phụ thuộc vào R Z C =2Z L

L L C

Z −Z Z −R =

Dạng 2: Mạch có C biến thiên

1 Phương pháp giải

Vận dụng các công thức đối với các bài toán cụ thể

Thay đổi C để Imax, Pmax, Zmin, cosϕ = , u và I 1

cùng pha

Khi đó mạch xảy ra cộng hưởng Z C =Z L

max max min

R

=







Thay đổi C để U C cực đại

2 2

L C

L

Z

Z

+

= Khi đó C max 2 2

L

U R Z U

R

+

=

Khi đó U RL vuông pha với u

C R L

U =U +U +U

V THAY ĐỔI CÁC THAM SỐ TRONG BÀI TOÁN ĐIỆN XOAY CHIỀU

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

Dạng 1: Mạch có L biến thiên

1 Phương pháp giải

Vận dụng các công thức đối với các bài toán cụ thể

Khi thay đổi C có hai giá trị C cho cùng giá trị

P, I, U R để Pmax, Imax,U Rmax thì

1 2

1 2

C

C C C

= + Ta có:

1 2

2

C C L

Z = +

Khi thay đổi C có hai giá trị của C mà U C

không đổi Để UC max

1 C2

C

2

C +

=

Để U RC không phụ thuộc vào R Z L =2Z C

0

C L C

Z −Z Z −R =

Dạng 3: Mạch có f biến thiên

1 Phương pháp giải

Vận dụng các công thức đối với các bài toán cụ thể

Có hai giá trị tần số f f mà I, P, 1 2 U có R

cùng giá trị

Mạch xảy ra cộng hưởng khi

1 2

f = f f

Thay đổi tần số góc để ,U R U L,U C cực đại

lần lượt là , ,ω ω ω R L C

2 1

R LC

ω =

2

2 2

2 2

L

LC R C

ω =

−

2

C

Nhận xét C. L R2

C R L





< <



max C max 2 2

2 4

L

UL

−

Có hai giá trị f1 và f 2 cho cùng giá trị U L

Để U L cực đại thì

2 2

2 1 2

f = f + f

Có hai giá trị f1 và f 2 cho cùng giá trị U C

Để U C cực đại thì

1 2

1 2

f = f + f

VI CÁC LOẠI MÁY ĐIỆN

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1 Máy phát điện xoay chiều

Ta đã biết rằng dòng điện xoay chiều được tạo ra nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ

Dựa vào nguyên lí đó người ta chế tạo ra máy phát điện theo 2 cách:

Cách 1: Từ trường cố định, các vòng dây quay trong từ trường

Cách 2: Từ trường quay, các vòng dây đặt cố định

HDedu - Page 7

a) Máy phát điện xoay chiều một pha

Cấu tạo: gồm 2 phần

• Phần cảm: tạo ra từ trường (Nam châm vĩnh

cửu hoặc nam châm điện)

• Phần ứng: tạo ra dòng điện (Các cuộn dây)

Một trong hai phần đặt cố định (gọi là stato) và

phần còn lại quay quanh một trục (gọi là rôto)

Nếu máy phát có p cặp cực (2p cực bao gồm p

cực Bắc và p cực Nam), khi rôto quay với tốc độ

n vòng/giây thì tần số của suất điện động do máy

tạo ra bằng

f =n p

b) Máy phát điện xoay chiều ba pha

Cấu tạo:

• Phần cảm: 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120° trên

một vòng tròn

• Phần ứng: nam châm điện quay

Sản phẩm: máy phát điện xoay chiều ba pha tạo

ra ba suất điện động xoay chiều cùng biên độ,

cùng tần số và lệch pha nhau 2

3

π

Ví dụ: Máy có 4 cặp cực, quay với tốc độ

góc 50 vòng/giây thì tần số của suất điện động do máy tạo ra bằng

f =n p= = Hz

( )

1 0cos

e =E ωt

2 0

2 cos

3

e =E ωt− π 

2 cos

3

e =E ωt+ π 

2 Động cơ không đồng bộ ba pha

Nguyên lí hoạt động

Cho 1 nam châm quay thì từ trường do nam châm tạo

ra cũng quay theo

Đặt 1 khung dây trong từ trường, do hiện tượng cảm

ứng điện từ nên khi từ trường quay thì khung dây

quay theo cùng chiều với tốc độ góc nhỏ hơn tốc độ

quay của từ trường (không đồng bộ)

Cấu tạo

• Stato: 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120° trên 1 vòng tròn

• Rôto: 1 hình trụ tạo bởi nhiều lá thép mỏng, ghép cách điện với

nhau Trong các rãnh xẻ ở mặt ngoài rôto có đặt các thanh kim loại

Hai đầu mỗi thanh được nối vào các vành kim loại tạo thành một

chiếc lồng

3 Máy biến áp

Nguyên lí hoạt động: máy biến áp hoạt

động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

Cấu tạo:

• Lõi sắt: gồm các lá thép được ghép cách

điện với nhau

• Hai cuộn dây quấn trên 2 lõi thép với số

vòng khác nhau Cuộn nối với nguồn vào

gọi là cuộn sơ cấp Cuộn lấy điện áp ra

gọi là cuộn thứ cấp

Công dụng: làm biến đổi điện áp xoay

chiều mà không làm thay đổi tần số của nó

Nếu cuộn sơ cấp có N 1 vòng và cuộn thứ

cấp có N vòng thì ta có: 2

2 2 1

U = N = I

Nếu N2 >N1 suy ra U2 >U1, ta gọi máy

biến áp là máy tăng áp

Nếu N2 <N1 suy ra U2 <U1, ta gọi máy

biến áp là máy hạ áp

Ví dụ: Máy biến áp cuộn sơ cấp có 1000 vòng,

cuộn thứ cấp có 2000 vòng, điện áp và cường độ dòng điện ở cuộn sơ cấp là 110V và 2A Khi đó ở cuộn thứ cấp:

2

2

220

2000 2

1

110 1000

=





Vì N2 >N1 nên máy này gọi là máy tăng áp

4 Truyền tải điện năng

Trong quá trình truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến các nơi tiêu thụ, do đường dây có điện trở

R nên bị hao phí do tỏa nhiệt

2

2 2

Hiệu suất truyền tải:

P

− ∆

=

Từ đó ta thấy có thể sử dụng máy biến áp để tăng điện áp lên khi truyền tải để giảm hao phí và làm tăng hiệu suất

Trong quá trình truyền tải, điện áp cũng bị giảm đi, độ giảm thế trên đường dây tính bởi công thức

U U U′ I R

Công suất truyền đi

Điện áp

nơi truyền đi Hệ số công suất nơi truyền đi

Pcó ích

Ptoàn phần

Điện áp nơi truyền đi

Điện áp nơi nhận được

HDedu - Page 9

B MẠCH DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ

I MẠCH DAO ĐỘNG

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1 Định nghĩa

Một cuộn cảm có độ tự cảm L mắc với một tụ điện có điện dung C thành một mạch điện kín gọi là mạch dao động (còn gọi là mạch LC) Nếu mạch có điện trở rất nhỏ, coi như bằng 0 thì mạch gọi là một mạch dao động lí tưởng

Với 1

LC

ω = (Rad/s) gọi là tần số góc của mạch dao động

Suy ra chu kì: T=2π= π2 LC

Tần số: f 1 1

T 2 LC

= =

π (Hz)

Chú ý: Trong các bài tập, ta thường làm việc với các bội số của đơn vị cơ bản Vì vậy các em cần

ghi nhớ cách đổi đơn vị về đơn vị cơ bản Bên đây là bảng giúp các em tiện lợi trong việc đổi đúng các đơn vị thường gặp

II SÓNG ĐIỆN TỪ

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1 Điện từ trường

Mỗi biến thiên theo thời gian của từ trường đều sinh ra trong không gian xung quanh nó một điện trường xoáy biến thiên theo thời gian, và ngược lại, mỗi biến thiên theo thời gian của điện trường cũng sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong khoảng không gian xung quanh

Điện trường và từ trường cùng biến thiên trong một trường thống nhất gọi là điện từ trường

2 Sóng điện từ

Điện trường biến thiên sinh ra từ trường, từ trường

biến thiên lại sinh ra điện trường Cứ như vậy

chúng lan truyền ra không gian

Quá trình lan truyền của điện từ trường trong

không gian gọi là sóng điện từ

Ta chỉ xét các sóng điện từ tuần hoàn có tần số f, chu kì T, bước sóng λ

Đặc điểm của sóng điện từ:

- Là sóng ngang: E, B 

dao động theo phương vuông góc với phương truyền sóng (E, B 

biến thiên tuần hoàn, cùng pha)

- Sóng điện từ truyền được trong chân không với tốc độ bằng tốc độ ánh

sáng (3.108 m/s)

Bước sóng của sóng điện từ trong chân không: cT c

f

Sử dụng mạch dao động LC, ta có thể tạo ra được sóng điện từ lan truyền

trong không gian với cùng tần số của dao động điện từ trong mạch

Ba vectơ E, B, v  

tại một điểm tạo với nhau thành một tam diện thuận

Tính chất của sóng điện từ:

- Trong quá trình lan truyền nó mang theo năng lượng Tần số càng lớn thì khả năng truyền càng xa

- Tuân theo quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ

- Tuân theo quy luật giao thoa, nhiễu xạ

3 Nguyên tắc phát và thu sóng điện từ

- Để phát sóng điện từ đi xa, người ta mắc phối hợp anten với một máy phát dao động điều hòa (gồm một mạch dao động LC, một tranzito và nguồn điện một chiều để bổ sung năng lượng cho mạch dao động LC) Anten phát ra sóng điện từ với tần số f

- Để thu sóng điện từ, người ta mắc kết hợp anten với mạch dao động LC có tụ điện có điện dung thay đổi được Điều chỉnh C để mạch xảy ra hiện tượng cộng hưởng với tần số cần thu, khi đó tín hiệu nhận được là rõ nét nhất, gọi là sự chọn sóng

- Bước sóng của sóng điện từ mà mạch phát ra, hay thu được là: cT c 2 c LC

f

4 Ứng dụng của sóng điện từ trong truyền thông

Các sóng điện từ có bước sóng khác nhau có đặc điểm và ứng dụng trong công nghệ truyền thông

Sóng dài >1000m Bị tầng điện li của khí quyển

phản xạ nên có thể đi vòng quanh Trái Đất sau nhiều lần phản xạ giữa tầng điện li và

mặt đất

Truyền thanh, truyền hình trên mặt đất

Sóng trung Từ 1000m đến 100m

Sóng ngắn Từ 100m đến 10m

Sóng cực ngắn Từ 10m đến 0,01m Xuyên thẳng qua tầng điện li Truyền thông qua vệ

tinh

5 Nguyên tắc truyền thông bằng sóng điện từ

Để truyền được các thông tin như âm thanh, hình ảnh, đến những nơi xa, người ta đều áp dụng một quy trình chung là:

+ Biến âm thanh, hình ảnh, muốn truyền đi thành các dao động điện, gọi là các tín hiệu âm tần + Dùng sóng điện từ có tần số cao (cao tần), gọi là sóng mang để truyền các tín hiệu âm tần đi xa qua anten phát

HDedu - Page 11