Luyện thi THPT Quốc gia môn Vật lý theo chủ đề (Tập 2): Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:210

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhằm giúp các em học sinh THPT, đặc biệt là các em học sinh lớp 12 chủ động và thuận lợi hơn trong việc ôn tập môn Vật lí, chuẩn bị tốt cho kì thi THPT Quốc gia, chúng tôi đã sưu tầm và cung cấp tới các bạn cuốn sách "Hướng dẫn ôn luyện thi THPT Quốc gia môn Vật lí theo chủ đề" với nội dung bám sát chương trình sách giáo khoa Vật lí 12 do Bộ Giáo dục và Đào tạo ban hành. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết phần 1 cuốn sách tại đây!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luyện thi THPT Quốc gia môn Vật lý theo chủ đề (Tập 2): Phần 1

LÊ V Ă N TH ÀN H HIỈN D An luyện thi THPT quốc gia Ư G ẳN
LÊ VĂN THÀNH lÌƯỦNO ĐẪN ÔN L U Y Ệ N THI THPT QUỐC C IA M ÒN V Ậ T LÍ T H E O CHỦ Đ Ề TẬP 2 NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
Bản quyền thuộc Công tỵ c ổ phần H ọc liệu Sư phạm Mã số: IL - 349ĐH2015
LỜI NÓI ĐẦU Nhằm giúp các em học sinh TH PT, đặc biệt là các em học sinh lớp 12 chủ động và thuận lợi hơn trong việc ôn tập môn Vật lí, chuẩn bị tốt cho kì thi TH PT Quốc gia, tác giả biên soạn bộ sách Hướng dẫn ôn luyện thi THPT Q uốc gia môn Vật lí theo chủ đề. Bộ sách gồm 2 tập có nội dung bám sát chương trình sách giáo khoa Vật lí 12 do Bộ Giáo dục và Đào tạo ban hành. Tập 1: gồm 3 chương: Chương I: Dao động cơ Chương II: Sóng cơ Chương III: Dao động và sóng điện từ Tập 2: gồm 5 chương: Chương IV: Dòng điện xoay chiều Chương V: Tính châ"t sóng của ánh sáng Chương VI: Quang học lượng tử Chương VII: Vật lí hạt nhân Chương VIII: Giới thiệu một số đề ôn luyện Mỗi chương của bộ sách đều có chung cấu trúc sau: Phần 1. Lí thuyết cơ bản Hệ thống chi tiết toàn bộ lí thuyết của từng chương theo chủ đề, đưa ra những nhận xét, những kết luận quan trọng giúp học sinh hệ thống và nắm bắt được các bản châT của hiện tượng vật lí nhằm dễ dàng chọn được đáp án trong các câu hỏi trắc nghiệm lí thuyết. Phần 2. Phân chủ dề bài tập và phương pháp giải Hệ thống bài tập của chương được phân loại theo các chủ đề, trong mỗi chủ đề đều có các ví dụ từ dễ đến khó dược hướng dẫn giải một cách chi tiết. Ngoài ra, với những bài có cách giải nhanh, tác giả trình bày các mẹo, các thủ thuật để học sinh có thể nhanh chóng đưa ra đáp số. Phần 3. Tóm tắt công thức giải nhanh bài tập trắc nghiệm Các công thức giải nhanh nhằm giúp học sinh có thể dễ nhớ và áp dụng một cách thuận lợi khi giải các bài tập trắc nghiệm. 3
Phần 4. Các bài tập tổng hợp chọn lọc Các bài tập chọn lọc được phân dạng một cách có hệ thống, bao gồm các câu hỏi lí thuyết và bài tập trọng tâm. Các bài tập chọn lọc giúp các em thực hành các phương pháp giải đã học, đồng thời tổng quát lại toàn bộ kiến thức trong các chủ đề. Tác giả hi vọng bộ sách Hướng dẫn ôn luyện thi THPT Q uốc gia môn Vật lí theo chủ đề sẽ là tài liệu bổ ích giúp các em học sinh ôn luyện và đạt được kết quả tốt nhất trong kì thi TH PT Quốc gia sắp tới. Mặc dù đã rất cố gắng khi biên soạn, nhưng sai sót là điều khó tránh khỏi. Tác giả râT mong nhận được những ý kiến đóng góp, xây dựng của quý bạn đọc để lần tái bản sau cuốn sách được hoàn chỉnh hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: Em ail: levanthanhlvt@yahoo.com.vn Điện thoại: 0 98 93 4 5.9 75 Xin trân trọng cảm ơn! TÁC GIẢ
CHƯƠNG IV: DÒNG ĐIỆN XOAY CHlỂU PHẦN 1: LÝ THUYẾT c ơ BẢN Bài 1. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều. C ác giả trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều 1. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ bằng cách cho khung dây kim loại kín quay đều với tốc độ góc co quanh trục đối xứng của nó trong từ trường đêu có véc tơ cảm ứng từ B vuông góc với trục quay của khung dây. Khi đó từ thông trong lòng khung dây biến thiên sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng, chống lại sự biến thiên của từ thông. Nối hai đầu khung dây với mạch ngoài tiêu thụ điện, ta được dòng điện xoay chiều biến thiên điều hòa với tần số góc Cù. 2. Biểu thức từ thông và suất điện động trong lòng khung dây Giả sử khung dây có N vòng giống hệt nhau mắc nối tiếp, mồi vòng dây có diện tích s, quay với tốc độ góc co trong từ trường đều B . Thời điểm ban đầu véctơ pháp tuyến của khung dây họp với cảm ứng từ B một góc cp. Biểu thức từ thông trong khung dây tại thời điểm t là: ộ = NBS cos(cot + cp) = cos(cot + cp) ( Wb) 0 (1) Suất điện động sinh ra do từ thông biến thiên: AO . ____ . , . „ ( e = - lim -----= - O (t) = NBSco sin(cot + cp) = Ep cos cot + cp- — (V) (2) A->0 Ạt t Kết luận: Suất điện động cảm ứng trong khung dây biến thiên điều hoà cùng tần số và chậm pha với từ thông một góc —. 3. Biểu thức hiệu điện thế và cường độ dòng điện trong mạch Khung dây quay trong từ trường trở thành nguồn điện, nối hai đầu khung dây với mạch ngoài tiêu thụ điện, ta được hiệu điện thế và dòng điện xoay chiều có biểu thức: Biểu thức hiệu điện thế: u = U qcoscot(V) (3) Biểu thức cưòng độ dòng điện: i = Iqcos(cot + cp) (V) (4) Trong đó cp là độ lệch pha giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện trong mạch, phụ thuộc vào cấu tạo của mạch.
4. Các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều Với dòng điện xoay chiều ta khó xác định các giá trị tức thời vì chúng biến thiên rất nhanh, cũng không thể lấy giá trị trung bình của chúng vì trong một chu kì, giá trị đó bằng 0. Cũng không thể dùng ampe kế hoặc vôn kế khung quay để đo dòng điện xoay chiều vì với dòng điện có tần số lón, nó đổi chiều liên tục, kim của thiết bị đo sẽ không thể kịp chuyển động theo sự đổi chiều đó, do có quán tính nên nó vẫn đứng yên và chỉ vào vạch số 0. Khi sử dụng dòng điện xoay chiều, 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 và là cơ sở để đánh giá hiệu quả sử dụng của dòng xoay chiều. Xét hai dòng điện gồm dòng điện xoay chiều có biểu thức i = IoCos(cot + (p) và dòng điện không đổi có cưòng độ I chạy qua hai điện trở giống hệt nhau trong cùng khoảng thời gian t, ta có: + Nhiệt lượng toả ra của dòng điện xoay chiều: Q| = i^Rt = I qCOs (cot + ẹ).Rt = loRt.-------cos(2cot + 2(p) I^Rt Do biểu thức -2— cos(2cot + 2(p) có giá trị trung bình trong một chu kì bàng 0, nên nhiệt I^Rt lượng toả ra trong thời gian t có thể lấy bằng: Q[‘ = ’ (J). + Nhiệt lượng toả ra của dòng điện không đổi: = I^Rt (J). Hiệu quả sử dụng của hai dòng điện trên giống nhau khi I^Rt à ' Giá trị I = được gọi là giá trị hiệu dụng của dpng điện xoay chiều. V2 ■ ■ • ■ • . - Đinh nshĩa: Giá trị hiệu dụng của cưòng độ dòng điện xoay chiều bằng cường độ của dòng điện không đổi nếu cho hai dòng điện này đi qua hai điện trở giống nhau trong khoảng thời gian như nhau thì toả ra nhiệt lưọng bằng nhau. Các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều bằng các giá trị cực đại chia V2 : I = V2 u =—• E=^ V Ỉ’ V Ỉ' Ampe kế và vôn kế đo cưÒTig độ và hiệu điện thế 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 các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều.
Đài 2: Định luật ôm cho các loại đoạn mạch xoay chiều 1. Đoạn mạch xoay chiều chỉ có điện trở thuần Đặt vào hai đầu đoạn mạch chỉ chứa điện trở R một hiệu điện thế R u = UoCos((ot) V thì dòng điện qua mạch là: • u U(, ^ ^^ 1 = ^ = —^coscot = L COSCDt(A) R R ° Kết luận: Mạch điện chỉ có điện trở R, hiệu điện thế biến thiên điều hoà Ur . cùng tần số và đồng pha với dòng điện. Giản đồ véc tơ như hình vẽ. o Định luật Ôm: Từ biểu thức Ig = — , chia cả hai vế cho V2 , ta được: I = — (1) R R (1) là biểu thức định luật ô m cho đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R. 2. Đoạn mạch xoay chiều chỉ có tụ điện Thi nghiệm: Xét đoạn mạch AB gồm bóng đèn mắc nối tiếp với tụ điện có điện dung C: - Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điện thế không đổi thì đèn không sáng. Q 0 - Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điện thế xoay chiều thì đèn ^ 1 ------ ^ g sáng, bỏ tụ c ra khỏi mạch, độ sáng của đèn tăng lên. Kết luận: Tụ c không cho dòng điện một chiều đi qua, cho dòng xoay chiều dao động qua nó nhưng vẫn gây ra một mức độ cản trở nhất định, mức độ cản trở đó gọi là dung kháng Zc- Thiểt lập biểu thức hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua tụ C: Đặt vào hai đầu đoạn mạch chỉ chứa tụ c một hiệu điện thế c u = U(,cos(cot) V thì điện tích trên tụ vào thời điểm t là: ^ 11 ^ q = Cu = CUoCos(cot) =QQCOs(cot)C Sự dao động điện giữa hai bản tụ làm xuất hiện một dòng điện qua mạch: i = lim^,_^o — = q ' . = -CUoCOSincừt = CUoCosin(cot + 7 = I|Jcos(cot + —)(A). i) At 2 Kết luận: Mạch điện chỉ có tụ c , hiệu điện thế biến thiên điều hoà cùng 0^ ' ' 7Ĩ ' tân sô và chậm pha với dòng điện góc —. Giản đô vectơ như hình vẽ. Cb Định luật Ôm: Từ biểu thức L = CUoCo < > In = Ụọ ĩ= , chia cả hai vế cho V2 , ta được: I = — ( 2) Cco (2) là biểu thức đinh luât ô m cho đoan mach chỉ có tu c , trong đó Zp = — goi là dung kháng. ỉ— Cco
3. Đoạn mạch xoay chiều chỉ có cuộn dây thuần cảm Thí nghiệm: Xé\ đoạn mạch AB gồm bóng đèn mắc nổi tiếp với cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L; - Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điện thế không đổi thì L Đ đèn sáng, bỏ cuộn cảm đi, độ sáng của đèn gần như không đổi. - Đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điện thế không xoay ^ ^ chiều thì đèn sáng, bỏ cuộn cảm ra khỏi mạch, độ sáng của đèn tăng lên. Kết luận: Cuộn dây gần như không cản trở dòng điện một chiều, cho dòng xoay chiều đi qua nhưng vẫn gây ra một mức độ cản trở nhất định, mức độ cản trở đó gọi là cảm kháng Z l- Thiết lập biểu thức hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua cuộn cảm L: Giả sử dòng điện qua đoạn mạch chỉ chứa cuộn dây thuần cảm có biểu L thức i = IoCOs((ot) A . Dòng điện qua cuộn dây biến thiên làm sinh ra một -----0 suất điện động tự cảm: e = -L(lim^,^o = LIoO)SÌn(cot)V. Cuộn dây có suất điện động tự cảm nên nó trở thành nguồn điện, áp dụng định luật ô m cho đoạn mạch chứa nguồn, ta được: i = u + e = ir= > u = i r - e . r Do r rất nhỏ, (r « 0) nên: n u S - e = -L I q O ! C sin(cot) = I q o)sin(cot + 7 = UoCos(cot + —) V. L i) Kểt luân: Mạch điện chỉ có cuộn dây thuần cảm, hiệu điện thế biến thiên điều hoà cùng tần số và nhanh pha với dòng điện góc —. Giản đồ o véc tơ như hình vẽ. Định luật Õm: Từ biểu thức U q = IgLc) I q = = — , chia cả hai vế cho \Í2, ta đươc: I = ^ (3) Lcừ z ■ z (3) là biểu thức định luật ô m cho đoạn mạch chỉ có cuộn dây thuần cảm L, trong đó Z l = L(0 gọi là cảm kháng. 4. Đoạn mạch xoay chiều RLC mắc nối tiếp Giả sử dòng điện qua đoạn mạch RLC mắc nối tiếp có biểu L c thức i = loCOs(cot) A. Hiệu điện thế tức thời qua mỗi thiết bị tương PM ]— 1 ^ 1 ứng là: n n Ur = U coscot(V); Ul = U ql cos(cot + —)(V ); oi^ = Uo(, c o s ( c o t ) ( V ) .
Hiệu điện thế tức thời hai đầu mạch là: u = u^ + Ul + Uj,. Đe tổng họp hiệu điện thế hai đầu mạch, ta sử dụng giản đồ véc tơ như hình vẽ. Từ giản đồ véc tơ ta có: = ƯR + (U l Gọi z là tổng trở của cả đoạn mạch, ta có: u ' = (IZ)' = (IZ)' + (IZl - IZc ^ Z = 7 r ' + ( Z l - Z ^ ) ' = — = ^" (4) I In Độ lệch pha giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế hai đầu mạch: |U t- U c l K -Z c | tan (p = (5) ư. R Trong trường họp mạch khuyết đi phần tử nào, ta có thể cho các giá trị tương ứng đó bàng 0. Cụ thể như sau; R c R L L c iH H gM -------- Z = ^R ^+Zị z = Ựr ^ + z [ Un Z = |Z ,- Z ,|; I „ = ^ z -Z Uọ Uq “ z “ z - Neu Z l > Zc, mạch có tính cảm T C Mạch có tính dung kháng Mạch có tính cảm kháng u kháng, u nhanh pha hơn i góc —. u chậm pha hơn i góc (p nhanh pha hơn i góc (p với: - Neu Z l < Zc, mạch có tính dung với: tan (p = Z l 7 Ĩ R kháng, u chậm pha hơn i góc —. tancp = R u LỊ o u LC Ur
Bài 3. Công suất của dòng điện xoay chiều 1. Công suất của dòng điện xoay chiều Xét đoạn mạch RLC mắc nối tiếp, giả sử đặt vào hai đầu mạch hiệu điện thế có biểu thức u = UoCoscot V thì dòng điện qua mạch là: i = IgCos(o)t + (p) V. Khi đó công suất tức thời hai đầu mạch là: p = ui = (UoCOS(Ot).(loCOS(COt + (p)) = U(,Io.(coscot).cos((ot + (p) = —Uolo-[cos(2cot + (p) + cos(p] p = —Uol(,cos(p + —Uol(,.cos(2(ot + (p). Xét trong khoảng thời gian, công suất của dòng điện bằng công suất trung bình trong một chu kì của dòng điện là p = —U oIq oscp = UIcoscp. Trong đó: cosọ = C = — được gọi là hệ số 2 c 'ỉ-i công suất. 2. Ý nghĩa của hệ số công suất + Trường hợp coscp = — = 1, mạch chỉ có R, hoặc mạch RLC xảy ra cộng hưởng điện (Z l = Zc), công suất tiêu thụ và cường độ dòng điện trên đoạn mạch đạt giá trị lớn nhất. + Trường hợp cosọ = — = 0, mạch chỉ có L, hoặc chi có c, hoặc có cả L và c mà không có điện trở R, công suất tiêu thụ trên đoạn mạch đạt giá trị nhỏ nhất bàng 0. Như vậy với mạch điện xoay chiều thì chỉ có điện trở thuần R mới có tác dụng tiêu thụ công suất, các thiết bị L và c không có tác dụng tiêu thụ công suất, nó có tác dụng tạo ra độ lệch pha giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện. Như vậy công suất tiêu thụ điện trong một đoạn mạch xoay chiều chính là công suất tiêu thụ trên điện trở R nên ta có: p = UIcosọ = U I— = I'R = ^ . z R R + Trưòmg hợp 0 < coscp = — < 1, đây là trường hợp phổ biến trong thực tế. Giả sử động cơ tiêu thụ công suất p, hiệu điện thế định mức là u thì cường độ dòng điện trong dây dẫn vào p động cơ thoả mãn p = UIcoscp => I = Ucosọ P-R Công suất hao phí do toả nhiệt trên dây dẫn của động cơ là: P|,p = I^R = U xos^ọ Như vậy khi hệ số công suất càng lớn thì công suất hao phí càng nhỏ. Đối với các thiết bị điện, cố gắng nâng cao hệ số công suất càng lớn càng tốt, thông thường cos(p>0,85 nhằm giảm hao phí trên đường dây tải điện. 10
Đài 4. Máy biến thế, truyền tải điện năng 1. Máy biến thế Máy biến thế là thiết bị dùng để biến đổi hiệu điện thế xoay u, u. chiều này thành hiệu điện thế xoay chiều khác có cùng tần số nhưng biên độ khác nhau. Cẩu tạo: Gồm hệ thống 2 cuộn dây có số vòng dây khác nhau, quấn trên lõi thép kĩ thuật, các vòng dây đều được bọc một lớp son cách điện để cách điện với nhau và cách điện với lõi thép. Cuộn mắc vào mạng điện xoay chiều gọi là cuộn sơ cấp, cuộn mác vào tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp. Lõi thép kĩ thuật được làm từ nhiều lá thép mỏng ghép sát và cách điện với nhau để chống lại tác dụng của dòng điện Fucô. Nguyên tắc hoạt động: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Nối hai đầu cuộn sơ cấp với mạng điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên trong lõi thép. Từ thông biến thiên được lõi thép truyền nguyên vẹn từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp làm sinh ra suất điện động cảm ứng biến thiên điều hòa cùng tần số trong cuộn thứ cấp. Sự biển đổi hiệu điện thế và cường độ dòng điện: Với mọi máy biến thế thì suất điện động tại cuộn sơ cấp và thứ cấp luôn tỉ lệ với số vòng dây của chủng theo công thức: AO -N , ĨL =. At ( 6) AO N, -N . At Với máy biến thế lí tưỏng (bỏ qua mọi hao phí), nếu cường độ dòng điện và hiệu điện thế trong cuộn sơ cấp và thứ cấp dao động đồng pha thì ta có: u, N, (7) u, I, N, Máy biến thế có số vòng dây của cuộn sơ cấp lớn hơn số vòng dây của cuộn thứ cấp, dẫn tới hiệu điện thế cuộn sơ cấp lớn hơn hiệu điện thế cuộn thứ cấp thì gọi là máy hạ thế. Máy biến thế có số vòng dây của cuộn sơ cấp nhỏ hơn số vòng dây của cuộn thứ cấp, dẫn tới hiệu điện thế cuộn sơ cấp nhỏ hơn hiệu điện thế cuộn thứ cấp thì gọi là máy tăng thế. 2. Truyền tải điện năng Giả sử cần truyền tải một điện năng có công suất p với hiệu điện thế hiệu dụng trên đường dây truyền tải là u, hệ số công suất là cos(p, thì công suất hao phí trên đường dây truyền tải là: 11
p2 p (8) u cos (p s Có nhiều cách khác nhau để giảm hao phí, nhưng biện pháp kinh tế nhất là tăng hiệu điện thế trên đường dây truyền tải. Khi hiệu điện thế trên đường dây tăng lên n lần thì công suất hao phí giảm n^ lần. Để truyền tải điện năng đi xa, ban đầu dùng máy tăng thế để tăng hiệu điện thế lên nhiều lần, tới nơi dùng máy hạ thế giảm hiệu điện thế cho phù hợp với tải tiêu thụ. Bài 5. Máy phát điện xoay chiều 1. Máy phát điện xoay chiều 1 pha Nguyên tắc hoạt động: Dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Cho khung dây dẫn kín có diện tích s, quay trong từ trường đều B với tốc độ góc không đổi V' 0). Khi đó, từ thông trong lòng khung dây biến thiên điều hòa, xuất hiện một suất điện động cảm ứng biến thiên cùng tần số. Nối hai đầu khung dây với mạch ngoài tiêu thụ điện, ta được dòng điện xoay chiều biến thiên điều hòa với tần số góc (0. Cấu tạo: Gồm hai phần chính là phần cảm và phần ứng. Phần cảm: là bộ phận tạo ra từ trường, thưòng là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện. Phần ứng: là bộ phận tạo ra dòng điện, là khung dây hoặc các cuộn dây dẫn. Trong hai phần trên, bộ phận tham gia chuyển động quay gọi là rôto, bộ phận đứng yên gọi là stato. Bộ góp: Với máy phát điện xoay chiều có phần ứng là rô to, để đưa dòng điện ra mạch ngoài, phải sừ dụng bộ góp. Bộ góp gồm hai vành khuyên gắn tại hai đầu khung dây, cùng quay với khung dây, hai chổi quét luôn tì trên hai vành khuyên để đưa dòng điện ra mạch ngoài. Chú ỷ: - Máy phát điện xoay chiều có phần ứng chuyển động chỉ được ứng dụng cho máy phát có công suất nhỏ do sự tiếp xúc không tốt ở bộ góp gây ra tia lửa điện, không an toàn. - Với máy phát điện xoay chiều có công suất lớn thì bộ phận chuyển động quay lại là phần cảm còn phần ứng là stator, khi đó để đưa dòng điện ra mạch ngoài chúng ta có thể nối trực tiếp dây dẫn vào hai đầu của các cuộn dây mà không cần tới bộ góp. - Để tăng tần số của dòng điện xoay chiều người ta sử dụng rotor gồm nhiều cặp cực nam châm mắc phối hợp với nhau. Nếu phần cảm làm từ nam châm có p cặp cực quay với vận tốc > góc n vòng/phút thì tần số của dòng điện xoay chiều là: f = n — (Hz). 12
2. Máy phát điện xoay chiều ba pha a. Cẩu tạo và hoạt động của máy phát điện xoay chiều 3 pha Cẩu tạo: + Stato: là phần ứng gồm 3 cuộn dây giống nhau bố 2 tĩ trí lệch nhau góc — trên một giá đỡ hình tròn. + Rôto: là phần cảm, là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện (được nuôi bằng dòng điện một chiều) quay A2 quanh một trục đặt tại trọng tâm của cả 3 cuộn dây. © X - B2 Hoạt động: K.hi rôto quay với tôc độ góc (0, từ trưòng và từ thông qua các cuộn dây biến thiên, các giá trị cực đại lần lượt lệch pha nhau — chu ki, do đó suất điện động xuất hiện trong 3 cuộn dây có cùng biên độ, biến thiên cùng tần số góc C D nhưng lần lượt lệch pha nhau góc — . Nối các đầu của 3 cuộn dây với 3 mạch ngoài giống nhau thì ta được hệ thống dòng điện xoay chiều 3 pha có cùng biên độ, cùng tần số và lần lượt 2k lệch pha nhau — , với các biêu thức tương ứng là: e, = E(,coscot (V). i, = I(,coscot(A). 63 =EoCos((ot + ^ ) ( V ) . i, =IoCos(cot + ^ ) ( A ) . e, = E o C o s(w t-^ )(V ). Ì3 = IgCos(ơ)t- — )(A). b. Các cách mắc mạch điện xoay chiểu 3 pha Mắc hình sao: Theo cách mắc này, ba điểm đầu Dây pha l ( i | ) của ba cuộn dây được nối với 3 mạch ngoài bằng 3 dây dẫn, gọi là các dây Dây trung hòa (i) pha. Ba điểm cuối nối lại với nhau rồi ---------- ---- RT nối với mạch ngoài bàng một dây dẫn gọi là dây trung hòa. Dây pha 3 (13) 13
Hiệu điện thế giữa hai dây pha gọi là Ud, hiệu điện thế giữa dây pha và dây trung hoà gọi là Up. Giữa ưd và Up liên hệ theo công thức: Ujj = Up\/3. Dòng điện tức thời trong dây trung hòa bằng tổng dòng điện tức thời trong các dây pha. Neu tải không đối xứng (3 tải không giống nhau) thì cường độ dòng điện trong dây trung hoà khác 0 nhưng nhỏ hcm nhiều so với cường độ dòng điện trong các dây pha. Neu tải đối xứng (3 tải giống nhau) thì cường độ dòng điện trong dây trung hòa bằng 0 . Mắc hình tam giác: Theo cách mắc này, điểm cuối của cuộn dây này nối với điểm đầu của cuộn dây tiếp theo, tạo thành sơ đồ tam giác như hình vẽ. Hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai dây pha được gọi là Ud nhưng Ud trong cách mắc íam giác chỉ bằng Up trong cách mắc hình sao. Cách mắc tam giác không có dây trung hoà nên cách này đòi hỏi 3 tải tiêu thụ phải giống nhau (đối xứng). c. ưu điểm của dòng điện xoay chiều 3 pha - Tiết kiệm được dây nối từ nơi máy phát điện đến tải tiêu thụ. - Giảm được hao phí trên đường dây. - Trong cách mắc hình sao, có thể sử dụng được hai loại hiệu điện thế khác nhau U ,= U ,7 J . - Tạo ra từ trường quay sử dụng trong động cơ điện xoay chiều. 14
Bài 6. Động cơ không đồng bộ ba pha 1. Nguyên tắc hoạt động của động cơ không đồng bộ Thí nghiệm: Đặt một khung dây dẫn kín trong lòng nam châm hình chữ u (hình vẽ). Cho nam châm quay đều với tốc độ góc (0 , người ta thấy khung dây quay X theo cùng chiều với tốc độ góc trung bình (0() nhỏ hon (0 một chút. Giải thích: Khi nam châm quay, từ trường do nam châm sinh ra quay theo, khi đó từ thông trong lòng khung dây biến thiên làm sinh ra một suất điện động và một dòng điện cảm ứng. Khung dây mang dòng điện đặt trong từ trường của nam châm nên nó chịu tác dụng của lực từ và sinh ra mômen lực làm cho khung dây quay theo nam châm để chống lại sự biến thiên. Khi tốc độ góc của khung dây bắt đầu bằng tốc độ góc của nam châm thì mọi sự biến thiên không còn nữa, lúc đó dòng điện cảm ứng và mô men lực từ bằng 0, dưới tác dụng của mô men lực cản, khung dây quay chậm lại. Tuy nhiên, khi khung dây vừa quay chậm lại thì ngay lập tức sự biến thiên lại xuất hiện, dòng điện cảm ứng và mô men lực từ lại được sinh ra và khung dây lại đuối theo nam châm. Khi tốc độ góc bằng nhau sự biến thiên không còn nữa, mô men lực từ bằng 0, khung dây lại quay chậm lại... Quá trình này liên tiếp diễn ra, kết quả là khung dây quay với tốc độ góc trung bình là (O nhỏ hon co của nam châm một chút. q Kết luận: Khi có một khung dây dẫn kín đặt trong từ trường quay đều thi khung dây sẽ quay cùng chiều của từ trường nhưng có tốc độ góc trung bình nhỏ hcm tốc độ góc của từ trường một chút. 2. Cấu tạo và hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha Cẩu tạo: + Stato: là phần cảm gồm 3 cuộn dây giống hệt nhau đặt lệch nhau một phần ba vòng tròn trên một giá đỡ hình tròn để tạo từ trường quay. + Rôto có dạng hình trụ tròn, có các vòng dây quấn trên lõi thép và có thể quay quanh một trục cố định đặt tại trọng tâm của cả ba cuộn dây. Hoạt động: Đặt vào 3 cuộn dây hệ thống dòng điện xoay chiều 3 pha: 15
Ì| = loCOSCOt(A). 271 Ỉ2 =IoCOS(cOt + y ) ( A ) . Ì3 = Io C o s(c o t-y )(A ). A? - Tại thời điêm khi dòng điện qua cuộn 1 đạt ^ cực đại là lo thì dòng điện trong hai cuộn còn lại là - — . Lúc đó từ trường do cuộn 1 sinh ra tại tâm của động cơ có độ lớn Bo và hưóng từ cuộn 1 ra ngoài thi từ trường do hai cuộn còn lại sinh ra Q có độ lón — và hưóng từ ngoài vào mỗi cuộn dây. Từ trường tại tâm của động cơ là 1,5 Bo và ^2 hướng từ cuộn 1 ra ngoài. Sau những khoảng thời T . gian — tiêp theo, từ trưòng tông hợp là l,5Bo lân lượt hướng từ cuộn 2 rồi cuộn 3 ra ngoài. Như vậy tại tâm của động cơ có một từ trường tổng hợp là l,5Bo, từ trưÒTig này luôn quay đều với chu kì và tần số bằng chu kì và tần số của dòng điện đặt vào ba cuộn dây. Vì vậy khi đặt vào tâm của động cơ một lõi thép trên đó có quấn các vòng dây thì mỗi vòng dây. sẽ đóng vai trò như một khung dây dẫn kín, kết quả là khung dây quay sẽ làm lõi thép sẽ quay cùng chiều từ trường nhưng chậm hơn một chút. Chuyển động quay của lõi thép được dẫn động ra bên ngoài và thiết bị trở thành động cơ không đồng bộ 3 pha. 3. ư u điểm của động cơ không đồng bộ 3 pha - Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, có công suất lớn - Sử dụng tiện lợi, không có vành khuyên, chổi quét nên không sinh ra tia lửa điện, không gây nhiễu sóng vô tuyến. - Có thể thay đổi chiều quay của động cơ bằng cách đổi vị trí của 2 cuộn dây cho nhau. - Vận tốc quay coo của động cơ có thể biến đổi trong một phạm vi khá rộng khi tốc độ quay (0 của từ trường không đổi. Vì vậy khi tải ngoài thay đổi, động cơ vẫn hoạt động bình thường. 16
Bài 7. Cách tạo ra dòng điện một chiều 1. Sự cần thiết của dòng điện một chiều - Trong công nghiệp dòng điện một chiều sử dụng để mạ điện, đúc điện, nạp điện cho ắc quy, sản xuất hoá chất, tinh chế kim loại bằng phưcmg pháp điện phân... - Các thiết bị điện tử cần được cung cấp năng lượng bàng dòng điện một chiều. - Những động cơ điện một chiều dễ khởi động, dễ thay đổi vận tốc và tạo ra mômen quay lón. 2. Máy phát điện một chiều Cấu tạo: Gồm khung dây quay quanh trục đối xứng của nó trong từ trường đều có vectơ cảm ứng từ B vuông góc với trục quay. Bộ góp gồm hai bán V' khuyên ghép lại với nhau, hai chổi quét luôn tì trên hai bán khuyên để đưa dòng điện ra ngoài. Hoạt động: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi khung dây quay, từ thông qua khung dây biến thiên điều hòa làm sinh ra trong khung dây một suất điện động cảm ứng biến thiên điều hòa. Dòng điện trong khung dây là dòng điện xoay chiều, nhưng do sự bố trí hợp lí của hai bán khuyên nên dòng điện thu được ở mạch ngoài là dòng điện một chiều. Dòng điện một chiều ờ mạch ngoài là dòng điện không liên tục và có đồ thị như hình vẽ 1. Đê giảm sự nhấp nháy của dòng điện, người ta dùng nhiều khung dây giống hệt nhau mắc nối tiếp, mồi khung dây được gắn với một cặp bán khuyên có các khe hở bố trí so le với nhau. 3. Chỉnh lun dòng điện xoay chiều bàng điôt bán dẫn Đ ^9 s^ỵ A R ^ 'V R B / ^4 J /> •------- ^ Chỉnh lưu một nửa chu kì: Chỉ sứ dụng 1 điôt, kết quả dòng điện thu được là dòng một chiều đứt quãng. Chỉnh lưu hai nửa chu kì: Sử dụng 4 điôt với cách mẳc như hình vẽ. Ket quả dòng qua tải R là một dòng điện một chiều, từ M đến N, tuy nhiên dòng điện này vẫn còn \ \ / / \ \ / / có sự nhấp nháy và có đồ thị như hình vẽ 2. Trong thực tế, \ / \ / _ w ______ đề giảm sự nhấp nháy của dòng điện, người ta sừ dụng Hình vẽ 2 thêm bộ lọc mẳc song song với tải tiêu thụ. 17
PHẦN 2: PHÂN LOẠI BÀI TẬP THEO CHỦ ĐỂ Chủ đề 1: Viết biếu thừc CLPỜng độ dòng điên, hiêu điên thế Ví du 1: Rôto của máy phát điện gồm 100 khung dây, mỗi khung dây có cạnh là 40cmx50cm quay trong từ trưòng đều có B = 10'^T, các vectơ cảm ứng từ B vuông góc với trục quay của khung. Tốc độ góc của khung dây không đổi bàng 3000 vòng/phút. Tại thời điểm ban đầu, mặt phang khung dây hợp với B một góc 60*^. Biểu thức suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung là: A. e = 2071 cos(l OŨTĩt - —) V. B. e = 2071 cos(l OOttí - —) V. c . e = 40 tĩ cos(1 O TTt + —) V. O D. e = 407rcos(1007xt + —) V. Hướng dẫn giải Diện tích khung dây: s = 40x50 = 2000cm^ = 0,2m ^ Góc hợp bởi giữa pháp tuyến của mặt phang khung dây và cảm ứng từ B tại thời điểm ban .X 7 7 1 1 7Ĩ đâu; (p = — . 2 3 6 Tốc độ góc của khung dây: co = =10071 (rad/s). Biểu thức từ thông trong lòng khung dây ở thời điểm t: (ị) = NBS cos(cot + cp) = 100.10'^.0,2 cos(l OOTtt + —) Wb = 0,2 cos(l OOttí + —) Wb. 6 6 Biểu thức suất điện động trong khung dây ở thời điểm t: e = -(|)' = 20 ti cos(1O T t + - - — = 2071 cos(l OŨTit - —) V. OT ) 6 2 3 Ví du 2: Cho mạch điện RLC mắc nối tiếp, điện trở có R = 50^/3Q, cuộn dây thuần cảm có độ 1 2 10“^ ' . tự cảm L = —H, tụ điện có điện dung c = ——— F. Dòng điện xoay chiêu có biêu thức 7t ' ’ ' 7t 71 ' ’ ' i = 2cos(1007it + — A. Viêt biêu thức của hiêu điện thê tức thời giữa hai đâu đoạn mạch. ) 6 A. u = 200cos(1007it+ —)V. B. u = 200V2cos(1007it + -) V . c . u = 200cos(1007it)V. D. u = 200^/2cos(1007tt)V. 18
Hướng dẫn giải Ta có: z, =Lco = -.10071 = lOOQ; z^=^ = ------- ị = 50Q. 7Ĩ " Cro 2.10-' IOOtĩ 71 Tổng trở: z = + (Z l - Zc)' = V(50Vs)' + (1 0 0 - 50)' = 1OOQ Hiệu điện thế cực đại hai đầu đoạn mạch: Ư = I()Z = 2.100 = 200 V. Q u . _ | z , - z , | J l 0 0 - 5 0 |_ 1 _ 71 Đô lêch pha giữa u và i: tan ọ = -— -— ^ ^ ^ =>(P = —. R 50V^ V3 6 Do Z l > Zc, mạch có tính cảm kháng, u nhanh pha hon i góc 6 Biểu thức hiệu điện thế: u = 200cos(1007ĩt+ —+ —) = 200cos(1007tt + —)V. 6 6 3 Vỉ du 3: Cho mạch điện RLC mắc néi tiếp, điện trở có R = lOOQ, cuộn dây có độ tự cảm ■\/3 L = — H, tụ điện có điện dung c - 10^ F. Hiệu điện thế xoay chiều tại hai đầu đoạn mạch Tĩ 2yÍ3n có biểu thức u = 20oV2cos(1007tt + —)V. Viết biểu thức của hiêu điên thế tức thời giữa hai 6 đầu đoạn mạch RL. í 7^ 1 271 A. U„L = 200\/2 cos 1007ĩt + - V. B. U = 200\/2 cos 1OOTtt + |^L V. V V 5n St c c . U - 200cos 1OOTĩt + — V. |^L D. U = 200V 2cosị 1007Tt + ị,^ V. 6 Hướng dẫn giải Ta có: Z l =Lco = — .10071 = 100>/3Q.; z^ = — = -4 •=200V Q 3 . Cco 10 IOOti 2V3tĩ Tổng trở; z =7 r '+ ( Z l - Z c)- =V Õ Õ T^^Õ V = 200Q. ĨÕ ^TãÕ V Õ lỹ Cường độ dòng điện cực đại chạy qua đoạn mach: L = — = = V2 A. z 200 Độ lệch pha giữa u và i: tan (p = ■ |z, -Zp|' 100V 3-200 n/3 = \/3 =>(p = —. R 100 3 Do Z l < Zc, mạch có tính dung kháng, i nhanh pha hon u một góc —. 1r\r\ i = ^/2 cos 1007Xt + —+ — = yÍ 2 cOS ( 1 0 0 7 lt+ - ^A. ^ ^ l 6 3) l 2) 19