Chuyên đề Dòng điện xoay chiều và dao động điện từ

CHUYEÂN ÑEÀ 3: DOØNG ÑIEÄN XOAY CHIEÀU vaø DAO ÑOÄNG ÑIEÄN TÖØ DOØNG ÑIEÄN XOAY CHIEÀU 1. Ñònh nghóa: Doøng ñieän xoay chieàu laø doøng ñieän coù cöôøng ñoä vaø chieàu thay ñoåi theo qui luaät hình sin ñoái vôùi thôøi gian. i = I0sin( tω +ϕ ) vôùi i laø cöôøng ñoä töùc thôøi I0 laø cöôøng ñoä cöïc ñaïi ( tω +ϕ ) : laø pha cuûa i ; ϕ laø pha ban ñaàu cuûa i Ñoái vôùi ñoaïn maïch RLC noái tieáp, hieäu ñieän theá hai ñaàu maïch coù daïng: uAB = U0sin( ) Vôùi uAB laø hieäu ñieän theá töùc thôøi ABtω +ϕ+ϕ U0 laø hieäu ñieän theá cöïc ñaïi AB u/ i ABpha u pha iϕ =ϕ = − laø ñoä leäch pha cuûa uAB vaø i phuï thuoäc vaøo tính chaát maïch ñieän Ta coù theå aùp duïng caùc coâng thöùc cuûa doøng ñieän khoâng ñoåi cho caùc giaù trò töùc thôøi cuûa ñieän xoay chieàu: uAB = uR + uL + uC nhöng UAB ≠ UR + UL + UC pAB = uAB . i nhöng PAB = UAB . I. cos ABϕ dqi dt = ; de dt φ=− 2. Caùch taïo ra doøng ñieän xoay chieàu: - Nguyeân taéc: döïa treân hieän töôïng caûm öùng ñieän töø - Caáu taïo: quay ñeàu khung daây dieän tích S trong töø tröôøng khoâng ñoåi vôùi vaän toác goùc ω B ur Töø thoâng qua 1 voøng daây laø: 1 voøng 0BS.cos t cos tφ = ω =φ ω Neáu khung coù N voøng daây thì töø thoâng qua khung laø: khung 0N cos tφ = φ ω Söùc ñieän ñoäng caûm öùng sinh ra laø: 0 de N sin dt tφ=− = φ ω ω 0 ee E sin( t )= ω +ϕ Vôùi 0 0E N= φ ω eϕ laø pha ban ñaàu Hieäu ñieän theá maïch ngoaøi laø: uAB = et (R’ + r).i . Do R’ vaø r laø ñieän trôû khung daây vaø daây noái xem nhö khoâng ñaùng keå neân: uAB = e Ta vieát: uAB = U0sin( ) vôùi utω +ϕ uϕ laø pha ban ñaàu cuûa uAB. Khi maïch ngoaøi goàm R, L, C kín thì doøng ñieän maïch ngoaøi laø: i = I0sin( ) vôùi u Atω +ϕ −ϕ B AB u/ iϕ =ϕ 3. Maïch ñieän khoâng phaân nhaùnh: + Maïch chæ coù ñieän trôû thuaàn: Rϕ = (uR,i) = 600 i = I0sin( ) thì uR = U0sin(itω +ϕ itω +ϕ ) vôùi 00 UI R= + Maïch chæ coù tuï C: C C(u , i) 2 πϕ = =− i = I0sin( ) thì uC = U0Csin(itω +ϕ it 2 πω +ϕ − ) vôùi 00 C UI Z = ; C 1Z C= ω + Maïch chæ coù cuoän thuaàn caûm L: L L(u , i) 2 πϕ = =+ i = I0sin( ) thì uL = U0Lsin(itω +ϕ it 2 πω +ϕ + ) vôùi 00 L UI Z = ; LZ L= ω + Maïch RLC noái tieáp: i = I0sin( ) thì uAB = uRLC = U0sin(itω +ϕ i At Bω +ϕ +ϕ ) vôùi 00 AB UI Z = ; 2 2AB L CZ R (Z Z= + − ) L CAB Z Ztg R −ϕ = ; AB AB Rcos Z ϕ = Qui öôùc veà daàu: > 0 Khi zL > ZC: maïch coù tính caûm khaùng, uAB nhanh pha hôn i ABϕ ZL: maïch coù tính dung khaùng, i nhanh pha hôn uAB ABϕ = 0 uAB vaø i ñoàng pha, maïch coäng höôûng: ZL = ZC ; Imax = ABϕ ABUR Suy ra: uAB ñoàng pha vôùi uR ZAbmin = R neân UAB = UR ÑOÄNG CÔ KHOÂNG ÑOÀNG BOÄ BA PHA 1. Ñoäng cô khoâng ñoàng boä ba pha: a) Nguyeân taéc hoaït ñoäng: Ñieän naêng cuûa doøng ñieän xoay chieàu ñöôïc bieán thaønh cô naêng nhôø caùc ñoäng cô ñieän xoay chieàu. Ñoäng cô khoâng ñoàng boä ba pha laø loaïi thoâng duïng nhaát hoaït ñoäng döïa treân hieän töôïng caûm öùng ñieän töø vaø söû duïng töø tröôøng quay: b) Töø tröôøng quay cuûa doøng ñieän ba pha: Töø tröôøng quay ñöôïc taïo ra baèng caùch cho doøng ñieän ba pha chaïy vaøo ba nam chaâm ñieän ñaët leäch nhau 1200 treân moät voøng troøn. Caùch boá trí caùc cuoän daây töông töï nhö maùy phaùt ñieän ba pha, nhöng trong ñoäng cô ñieän, ngöôøi ta ñöa doøng ñieän töø ngoaøi vaøo caùc cuoän daây. c) Caáu taïo ñoäng cô khoâng ñoàng boä ba pha: Goàm hai phaàn chính: Stato vaø roâto - Stato goàm caùc cuoän daây cuûa ba pha ñieän quaán treân caùc loõi saét boá trí treân moät vaønh troøn ñeå taïo ra töø tröôøng quay. - Roâto hình truï coù taùc duïng gioáng nhö moät cuoän daây quaán treân loõi theùp 2. Maùy bieán theá: a) Nguyeân taéc hoaït ñoäng vaø caáu taïo: Maùy bieán theá laø thieát bò cho pheùp laøm bieán ñoåi hieäu ñieän theá cuûa doøng ñieän xoay chieàu (khoâng laøm thay ñoåi taàn soá cuûa doøng ñieän) - Nguyeân taéc caáu taïo: goàm hai boä phaän chính: Loõi theùp: laøm töø nhieàu laù theùp moûng (kó thuaät ñieän) hình khung roãng gheùp caùch ñieän vôùi nhau. Hai cuoän daây: laøm baèng ñoàng, ñieän trôû raát nhoû, quaán treân loõi theùp. Soá voøng cuûa hai cuoän daây laø khaùc nhau. Cuoän daây noái vôùi maïng ñieän xoay chieàu goïi laø cuoän sô caáp Cuoän daây noái vôùi taûi tieâu thuï goïi laø cuoän thöù caáp - Nguyeân taéc hoaït ñoäng: döïa treân hieän töôïng caûm öùng ñieän töø. b) Söï bieán ñoåi hieäu ñieän theá vaø doøng ñieän qua maùy bieán theá - Xeùt moät maùy bieán theá coù cuoän sô caáp goàm N voøng daây vaø cuoän thöù caáp coù N’ voøng daây - Khi noái cuoän sô caáp vôùi maïng ñieän xoay chìeâu coù hieäu ñieän theá U thì ôû hai ñaàu cuoän thöù caáp coù moät hieäu ñieän theá xoay chieàu U’. Khi ñoù: U N U N ′ ′= Neáu: N’ > N thì U’ > U: maùy taêng theá: N’ < N thì U’ < U: maùy haï theá Neáu boø qua söï maát maùt naêng löôïng thì: I U I U ′=′ 3. Chænh löu doøng ñieän xoay chieàu: Ñeå taïo ra doøng ñieän moät chieàu, caùch ñôn giaûn vaø phoå bieán nhaát hieän nay laø chænh löu doøng ñieän xoay chieàu. Maïch chænh löu thöôøng duøng laø chænh löu nöûa chu kì vaø chænh löu hai nöûa chu kì. MAÙY PHAÙT ÑIEÄN XOAY CHIEÀU MOÄT PHA vaø DOØNG ÑIEÄN XOAY CHIEÀU BA PHA 1. Maùy phaùt ñieän xoay chieàu moät pha a. Nguyeân taéc hoaït ñoäng cuûa maùy phaùt ñieän xoay chieàu: Maùy phaùt ñieän xoay chieàu kieåu caûm öùng hoaït ñoäng döïa treân hieän töôïng caûm öùng ñieän töø b. Caáu taïo cuûa maùy phaùt ñieän xoay chieàu Goàm khung daây qauy quanh truïc x’x ñaët trong töø tröôøng ñeàu. Hai ñaàu A, B cuûa khung noái vôùi hai vaønh khuyeân ñaët ñoàng truïc vôùi khung daây, tì leân hai vaønh khuyeân laø hai choåi queùt. Khi khung daây quay, hai vaønh khuyeân tröôït treân hai choåi queùt, doøng ñieän truyeàn qua vaønh khuyeân vaø choåi queùt ra maïch ngoaøi Heä thoáng vaønh khuyeân vaø choåi queùt goïi laø boä goùp - Phaàn taïo ra töø tröôøng goïi laø phaàn caûm - Phaàn taïo ra doøng ñieän goïi laø phaàn öùng Phaàn caûm cuõng nhö phaàn öùng coù theå laø boä phaän ñöùng yeân hay chuyeån ñoäng. Boä phaän ñöùng yeân goïi laø Stato coøn boä phaän chuyeån ñoäng goïi laø roäto. Taàn soá cuûa doøng ñieän do maùy phaùt ñieän xoay chieàu phaùt ra ñöôïc tính bôûi coâng thöùc: pnf H 60 = z Trong ñoù: p laø soá caëp cöïc, n laø toác ñoä quay cuûa roâto. Maùy paùht ñieän moät pha coøn goïi laø maùy dao ñieän moät pha. 2. Doøng ñieän xoay chieàu ba pha: Nguyeân taéc cuûa maùy phaùt ba pha cuõng gioáng nhö cuûa maùy phaùt moät pha. Choã khaùc nhau chæ laø caùch boá trí cuoän daây phaàn öùng. Ba cuoän daây phaàn öùng ñöôïc boá trí leäch nhau 1 3 voøng troøn treân stato. Phöông trình ba doøng ñieän ñoù nhö sau: i1 = I0sinω t i2 = I0sin 2t 3 π⎛ ⎞⎜ ⎟ ω −⎝ ⎠ i3 = I0sin 2t 3 π⎛ ⎞⎜ ⎟ ω +⎝ ⎠ Ñeå söû duïng coù hieäu quaû doøng ñieän xoay chieàu ba pha, ngöôøi ta coù theå duøng caùch maéc hình tam giaùc hay hình sao. DAO ÑOÄNG ÑIEÄN TÖØ – SOÙNG ÑIEÄN TÖØ 1. Söï bieán thieân ñieän tích trong maïch dao ñoäng: - Xeùt maïch dao ñoäng goàm tuï ñieän vaø cuoän caûm nhö hình veõ : C – L + - Nhöõng phaân tích lí thuyeát cho keát quaû: phöông trình bieåu dieãn söï bieán thieân cuûa ñieän tích theo thôøi gian coù daïng: 1q q 0 LC ′′+ = (1) Nghieäm cuûa phöông trình coù daïng: q = Q0sin( tω +ϕ ) Ñieàu ñoù chöùng toû ñieän tích cuûa tuï ñieän trong maïch dao ñoäng bieán thieân ñieàu hoøa vôùi taàn soá goùc 1 LC ω= 2. Dao ñoäng ñieän töø trong maïch dao ñoäng Choïn ñieàu kieän ban ñaàu thích hôïp ñeå nghieäm phöông trình (1) coù daïng: q = Q0sin t. ω - Naêng löôïng töùc thôøi cuûa tuï ñieän: Wñ = 1 2 qu = 2 20 0ñ Q sin t W sin t 2C ω = ω2 , vôùi 2 0 0ñ QW 2C = - Naêng löôïng töùc thôùi trong cuoän caûm: Wt = 1 2 LI02 = 2 2 2 2 2 20 0 0 Q1 L Q cos t cos t W cos t 2 2C ω ω = ω = t ω , vôùi 2 0 0t 2 0 Q1W 2LI 2C = = Naêng löôïng toång hôïp trong maïch dao ñoäng: W = Wñ + Wr = W0 = 2 0Q 2C = const. - Naêng löôïng trong maïch dao ñoäng goàm naêng löôïng ñieän tröôøng taäp trung ôû tuï ñieän vaø naêng löôïng töø tröôøng taäp trung ôû cuoän caûm. - Naêng löôïng töø tröôøng vaø naêng löôïng ñieän tröôøng ñeàu bieán thieân tuaàn hoaøn theo cuøng moät taàn soá. Taïi moïi thôøi ñieåm, toång naêng löôïng töø tröôøng vaø naêng löôïng ñieän tröôøng laø khoâng ñoåi. Noùi caùch khaùc, naêng löôïng cuûa maïch dao ñoäng ñöôïc baûo toaøn. - Dao ñoäng cuûa maïch dao ñoäng coù nhöõng tính chaát nhö treân goïi laø dao ñoäng ñieän töø. Taàn soá dao ñoäng 1 LC ω= chæ phuï thuoäc vaøo nhöõng ñaëc tính cuûa maïch, vì vaäy dao ñoäng ñieän töø cuûa maïch dao ñoäng laø moät dao ñoäng töï do, 1 LC ω= laø taàn soá dao ñoäng rieâng cuûa maïch. 3. Ñieän tröôøng bieán thieân vaø töø tröôøng bieán thieân: Baèng phöông phaùp toaùn hoïc, Maécxoen ñaõ tìm ra: Khi moät töø tröôøng bieán thieân theo thôøi gian, noù sinh ra moät ñieän tröôøng xoaùy, laø ñieän tröôøng maø ñöôøng söùc bao quanh caùc ñöôøng caûm öùng töø. Ngöôïc laïi, khi moät ñieän tröôøng bieán thieân theo thôøi gian, noù sinh ra moät töø tröôøng xoaùy, laø töø tröôøng maø ñöôøng caûm öùng töø bao quanh caùc ñöôøng söùc ñieän tröôøng. 4. Ñieän töø tröôøng: Phaùt minh cuûa Maécxoen daãn ñeán keát luaän laø khoâng theå coù ñieän tröôøng hoaëc töø tröôøng toàn taïi rieâng bieät, ñoäc laäp vôùi nhau. Ñieän tröôøng vaø töø tröôøng laø hai maët theå hieän khaùc nhau cuûa moät loaïi tröôøng duy nhaát goïi laø ñieän töø tröôøng. Ñieän töø tröôøng lan truyeàn ñöôïc trong khoâng gian. 5. Soùng ñieän töø Ñieän töø tröôøng do moät ñieän tích ñieåm dao ñoäng theo phöông thaúng ñöùng seõ lan truyeàn trong khoâng gian döôùi daïng soùng. Soùng ñoù ñöôïc goïi laø soùng ñieän töø. Ta noùi ñieän tích dao ñoäng ñaõ böùc xaï ra soùng ñieän töø. Taàn soá soùng ñieän töø baèng taàn soá f cuûa ñieän tích dao ñoäng vaø vaän toác cuûa noù trong chaân khoâng baèng vaän toác aùnh saùng trong chaân khoâng c, coù giaù trò khoaûng c = 300000km/s Naêng löôïng soùng ñieän töø tæ leä vôùi luõy thöøa baäc boán cuûa taàn soá. Soùng ñieän töø coù nhöõng tính chaát gioáng nhö moät soùng cô hoïc thoâng thöôøng. Ngoaøi ra, soùng ñieän töø coøn truyeàn ñöôïc caû trong chaân khoâng. Soùng ñieän töø ñöôïc ñaëc tröng bôûi taàn soá hoaëc böôùc soùng, giöõa chuùng coù heä thöùc: GV: NGUYEÃN HÖÕU LOÄC (Trung Taâm Luyeän Thi Vónh Vieãn)