Chuyên đề: Dòng điện xoay chiều và dao động điện từ

CHUYÊN ĐỀ 3: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU và DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 1. Định nghĩa: Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ và chiều thay đổi theo qui luật hình sin đối với thời gian. i = I0sin( tω +ϕ ) với i là cường độ tức thời I0 là cường độ cực đại ( tω +ϕ ) : là pha của i ; ϕ là pha ban đầu của i Đối với đoạn mạch RLC nối tiếp, hiệu điện thế hai đầu mạch có dạng: uAB = U0sin( ) Với uAB là hiệu điện thế tức thời ABtω +ϕ+ϕ U0 là hiệu điện thế cực đại AB u/ i ABpha u pha iϕ =ϕ = − là độ lệch pha của uAB và i phụ thuộc vào tính chất mạch điện Ta có thể áp dụng các công thức của dòng điện không đổi cho các giá trị tức thời của điện xoay chiều: uAB = uR + uL + uC nhưng UAB ≠ UR + UL + UC pAB = uAB . i nhưng PAB = UAB . I. cos ABϕ dqi dt = ; de dt φ=− 2. Cách tạo ra dòng điện xoay chiều: - Nguyên tắc: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ - Cấu tạo: quay đều khung dây diện tích S trong từ trường không đổi với vận tốc góc ω B ur Từ thông qua 1 vòng dây là: 1 vòng 0BS.cos t cos tφ = ω =φ ω Nếu khung có N vòng dây thì từ thông qua khung là: khung 0N cos tφ = φ ω Sức điện động cảm ứng sinh ra là: 0 de N sin dt tφ=− = φ ω ω 0 ee E sin( t )= ω +ϕ Với 0 0E N= φ ω eϕ là pha ban đầu Hiệu điện thế mạch ngoài là: uAB = et (R’ + r).i . Do R’ và r là điện trở khung dây và dây nối xem như không đáng kể nên: uAB = e Ta viết: uAB = U0sin( ) với utω +ϕ uϕ là pha ban đầu của uAB. Khi mạch ngoài gồm R, L, C kín thì dòng điện mạch ngoài là: i = I0sin( ) với u Atω +ϕ −ϕ B AB u/ iϕ =ϕ 3. Mạch điện không phân nhánh: + Mạch chỉ có điện trở thuần: Rϕ = (uR,i) = 600 i = I0sin( ) thì uR = U0sin(itω +ϕ itω +ϕ ) với 00 UI R= + Mạch chỉ có tụ C: C C(u , i) 2 πϕ = =− i = I0sin( ) thì uC = U0Csin(itω +ϕ it 2 πω +ϕ − ) với 00 C UI Z = ; C 1Z C= ω + Mạch chỉ có cuộn thuần cảm L: L L(u , i) 2 πϕ = =+ i = I0sin( ) thì uL = U0Lsin(itω +ϕ it 2 πω +ϕ + ) với 00 L UI Z = ; LZ L= ω + Mạch RLC nối tiếp: i = I0sin( ) thì uAB = uRLC = U0sin(itω +ϕ i At Bω +ϕ +ϕ ) với 00 AB UI Z = ; 2 2AB L CZ R (Z Z= + − ) L CAB Z Ztg R −ϕ = ; AB AB Rcos Z ϕ = Qui ước về dầu: > 0 Khi zL > ZC: mạch có tính cảm kháng, uAB nhanh pha hơn i ABϕ ZL: mạch có tính dung kháng, i nhanh pha hơn uAB ABϕ = 0 uAB và i đồng pha, mạch cộng hưởng: ZL = ZC ; Imax = ABϕ ABUR Suy ra: uAB đồng pha với uR ZAbmin = R nên UAB = UR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1. Động cơ không đồng bộ ba pha: a) Nguyên tắc hoạt động: Điện năng của dòng điện xoay chiều được biến thành cơ năng nhờ các động cơ điện xoay chiều. Động cơ không đồng bộ ba pha là loại thông dụng nhất hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và sử dụng từ trường quay: b) Từ trường quay của dòng điện ba pha: Từ trường quay được tạo ra bằng cách cho dòng điện ba pha chạy vào ba nam châm điện đặt lệch nhau 1200 trên một vòng tròn. Cách bố trí các cuộn dây tương tự như máy phát điện ba pha, nhưng trong động cơ điện, người ta đưa dòng điện từ ngoài vào các cuộn dây. c) Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha: Gồm hai phần chính: Stato và rôto - Stato gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay. - Rôto hình trụ có tác dụng giống như một cuộn dây quấn trên lõi thép 2. Máy biến thế: a) Nguyên tắc hoạt động và cấu tạo: Máy biến thế là thiết bị cho phép làm biến đổi hiệu điện thế của dòng điện xoay chiều (không làm thay đổi tần số của dòng điện) - Nguyên tắc cấu tạo: gồm hai bộ phận chính: Lõi thép: làm từ nhiều lá thép mỏng (kĩ thuật điện) hình khung rỗng ghép cách điện với nhau. Hai cuộn dây: làm bằng đồng, điện trở rất nhỏ, quấn trên lõi thép. Số vòng của hai cuộn dây là khác nhau. Cuộn dây nối với mạng điện xoay chiều gọi là cuộn sơ cấp Cuộn dây nối với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp - Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. b) Sự biến đổi hiệu điện thế và dòng điện qua máy biến thế - Xét một máy biến thế có cuộn sơ cấp gồm N vòng dây và cuộn thứ cấp có N’ vòng dây - Khi nối cuộn sơ cấp với mạng điện xoay chìêu có hiệu điện thế U thì ở hai đầu cuộn thứ cấp có một hiệu điện thế xoay chiều U’. Khi đó: U N U N ′ ′= Nếu: N’ > N thì U’ > U: máy tăng thế: N’ < N thì U’ < U: máy hạ thế Nếu bò qua sự mất mát năng lượng thì: I U I U ′=′ 3. Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều: Để tạo ra dòng điện một chiều, cách đơn giản và phổ biến nhất hiện nay là chỉnh lưu dòng điện xoay chiều. Mạch chỉnh lưu thường dùng là chỉnh lưu nửa chu kì và chỉnh lưu hai nửa chu kì. MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA và DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 1. Máy phát điện xoay chiều một pha a. Nguyên tắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều: Máy phát điện xoay chiều kiểu cảm ứng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ b. Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều Gồm khung dây qauy quanh trục x’x đặt trong từ trường đều. Hai đầu A, B của khung nối với hai vành khuyên đặt đồng trục với khung dây, tì lên hai vành khuyên là hai chổi quét. Khi khung dây quay, hai vành khuyên trượt trên hai chổi quét, dòng điện truyền qua vành khuyên và chổi quét ra mạch ngoài Hệ thống vành khuyên và chổi quét gọi là bộ góp - Phần tạo ra từ trường gọi là phần cảm - Phần tạo ra dòng điện gọi là phần ứng Phần cảm cũng như phần ứng có thể là bộ phận đứng yên hay chuyển động. Bộ phận đứng yên gọi là Stato còn bộ phận chuyển động gọi là rộto. Tần số của dòng điện do máy phát điện xoay chiều phát ra được tính bởi công thức: pnf H 60 = z Trong đó: p là số cặp cực, n là tốc độ quay của rôto. Máy páht điện một pha còn gọi là máy dao điện một pha. 2. Dòng điện xoay chiều ba pha: Nguyên tắc của máy phát ba pha cũng giống như của máy phát một pha. Chỗ khác nhau chỉ là cách bố trí cuộn dây phần ứng. Ba cuộn dây phần ứng được bố trí lệch nhau 1 3 vòng tròn trên stato. Phương trình ba dòng điện đó như sau: i1 = I0sinω t i2 = I0sin 2t 3 π⎛ ⎞⎜ ⎟ ω −⎝ ⎠ i3 = I0sin 2t 3 π⎛ ⎞⎜ ⎟ ω +⎝ ⎠ Để sử dụng có hiệu quả dòng điện xoay chiều ba pha, người ta có thể dùng cách mắc hình tam giác hay hình sao. DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ – SÓNG ĐIỆN TỪ 1. Sự biến thiên điện tích trong mạch dao động: - Xét mạch dao động gồm tụ điện và cuộn cảm như hình vẽ : C – L + - Những phân tích lí thuyết cho kết quả: phương trình biểu diễn sự biến thiên của điện tích theo thời gian có dạng: 1q q 0 LC ′′+ = (1) Nghiệm của phương trình có dạng: q = Q0sin( tω +ϕ ) Điều đó chứng tỏ điện tích của tụ điện trong mạch dao động biến thiên điều hòa với tần số góc 1 LC ω= 2. Dao động điện từ trong mạch dao động Chọn điều kiện ban đầu thích hợp để nghiệm phương trình (1) có dạng: q = Q0sin t. ω - Năng lượng tức thời của tụ điện: Wđ = 1 2 qu = 2 20 0đ Q sin t W sin t 2C ω = ω2 , với 2 0 0đ QW 2C = - Năng lượng tức thới trong cuộn cảm: 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 , với 2 0 0t 2 0 Q1W 2LI 2C = = Năng lượng tổng hợp trong mạch dao động: W = Wđ + Wr = W0 = 2 0Q 2C = const. - Năng lượng trong mạch dao động gồm năng lượng điện trường tập trung ở tụ điện và năng lượng từ trường tập trung ở cuộn cảm. - Năng lượng từ trường và năng lượng điện trường đều biến thiên tuần hoàn theo cùng một tần số. Tại mọi thời điểm, tổng năng lượng từ trường và năng lượng điện trường là không đổi. Nói cách khác, năng lượng của mạch dao động được bảo toàn. - Dao động của mạch dao động có những tính chất như trên gọi là dao động điện từ. Tần số dao động 1 LC ω= chỉ phụ thuộc vào những đặc tính của mạch, vì vậy dao động điện từ của mạch dao động là một dao động tự do, 1 LC ω= là tần số dao động riêng của mạch. 3. Điện trường biến thiên và từ trường biến thiên: Bằng phương pháp toán học, Mắcxoen đã tìm ra: Khi một từ trường biến thiên theo thời gian, nó sinh ra một điện trường xoáy, là điện trường mà đường sức bao quanh các đường cảm ứng từ. Ngược lại, khi một điện trường biến thiên theo thời gian, nó sinh ra một từ trường xoáy, là từ trường mà đường cảm ứng từ bao quanh các đường sức điện trường. 4. Điện từ trường: Phát minh của Mắcxoen dẫn đến kết luận là không thể có điện trường hoặc từ trường tồn tại riêng biệt, độc lập với nhau. Điện trường và từ trường là hai mặt thể hiện khác nhau của một loại trường duy nhất gọi là điện từ trường. Điện từ trường lan truyền được trong không gian. 5. Sóng điện từ Điện từ trường do một điện tích điểm dao động theo phương thẳng đứng sẽ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng. Sóng đó được gọi là sóng điện từ. Ta nói điện tích dao động đã bức xạ ra sóng điện từ. Tần số sóng điện từ bằng tần số f của điện tích dao động và vận tốc của nó trong chân không bằng vận tốc ánh sáng trong chân không c, có giá trị khoảng c = 300000km/s Năng lượng sóng điện từ tỉ lệ với lũy thừa bậc bốn của tần số. Sóng điện từ có những tính chất giống như một sóng cơ học thông thường. Ngoài ra, sóng điện từ còn truyền được cả trong chân không. Sóng điện từ được đặc trưng bởi tần số hoặc bước sóng, giữa chúng có hệ thức: GV: NGUYỄN HỮU LỘC (Trung Tâm Luyện Thi Vĩnh Viễn)