Dung kháng của tụ điện - Vật lý 12

$Z_C$ dung kháng của cuộn dây $\left(\Omega \right)$

C Điện dung của tụ điện $\left(F\right)$

Nhận xét : Khi tần số càng lớn khả năng càng trở dòng điện càng nhỏ.

$I$ Cường độ hiệu dụng trong mạch $\left(A\right)$

$U$ Hiệu điện thế hiệu dụng trong mạch $\left(V\right)$

$R$ Điện trở $\left(\Omega \right)$

$Z_L$ Cảm kháng $\left(\Omega \right)$

$Z_C$ Dung kháng $\left(\Omega \right)$

$Z$ Tổng trở của mạch $\left(\Omega \right)$.

$Z_L$ Cảm kháng $\left(\Omega \right)$

$Z_C$ Dung kháng $\left(\Omega \right)$

$R$   Điện trở$\left(\Omega \right)$

$\omega$ tần số góc của mạch điện $\left(rad/s\right)$

$\phi >0\Rightarrow Z_L>Z_C :$ Mạch có tính cảm kháng. u nhanh pha so với i

$\phi =0\Rightarrow Z_L=Z_C :$: Hiện tựơng cộng hưởng.u cùng pha so với i

$\phi <0\Rightarrow Z_L<Z_C :$Mạch có tính dung kháng.u chậm pha so với i

$\cos \left(\phi \right)$ Hệ số công suất của mạch.

$R$$\left(\Omega \right)$ Điện trở

$Z_L\left(\Omega \right)$ Cảm kháng 

$Z_C\left(\Omega \right)$ Dung kháng

$U_0$ Hiệu điện thế cực đại dặt vào mạch điện

$U_{0L}$ Hiệu điện thế cực đại dặt vào cuộn cảm thuần

$U_{0L}=Z_L.I_0=Z_L.\frac{U_0}{Z}$

$$\begin{gathered} {\phi }_L-{\phi }_i=\frac{\pi }{2} \\ {\phi }_u-{\phi }_i=\phi \\ \Rightarrow {\phi }_L=\frac{\pi }{2}-\phi +{\phi }_u \end{gathered}$$

$U_0$ Hiệu điện thế cực đại đặt vào mạch điện

$U_{0RC}$ Hiệu điện thế cực đại đặt vào điện trở và tụ điện

$U_{0RC}=\sqrt{R^2+{Z_C}^2}.I_0=\sqrt{R^2+{Z_C}^2}.\frac{U_0}{Z}$

$$\begin{gathered} {\phi }_{RC}-{\phi }_i={\phi }_2 \\ {\phi }_u-{\phi }_i=\phi \\ \Rightarrow {\phi }_{RC}={\phi }_2-\phi +{\phi }_u \end{gathered}$$

$U_0$ Hiệu điện thế cực đại đặt vào mạch điện

$U_{0LC}$ Hiệu điện thế cực đại đặt vào tụ điện và cuộn cảm thuần

$U_{0LC}=\left|Z_L-Z_C\right|.I_0=\left|Z_L-Z_C\right|.\frac{U_0}{Z}$

$$\begin{gathered} {\phi }_{LC}-{\phi }_i=\pm \frac{\pi }{2} \\ {\phi }_u-{\phi }_i=\phi \\ \Rightarrow {\phi }_{LC}=\pm \frac{\pi }{2}-\phi +{\phi }_u \end{gathered}$$

Chọn dấu

+ : Khi mạch có tính cảm kháng.

- : Khi mạch có tính dung kháng.

$Z$ Tổng trở của mạch $\left(\Omega \right) .$

$R$ Điện trở $\left(\Omega \right) .$

$r$ Điện trở trong của cuộn dây $\left(\Omega \right) .$

$Z_L$ Cảm kháng $\left(\Omega \right) .$

$Z_C$ Dung kháng $\left(\Omega \right) .$

$I$Cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch$\left(A\right)$

$U$Hiệu điện thế hiệu dụng trong mạch$\left(V\right)$

$Z$Tổng trở của mạch $\left(\Omega \right)$

$Z_{L }$Cảm kháng$\left(\Omega \right)$

$Z_C$Dung kháng$\left(\Omega \right)$

$r$ Điện trở trong của cuộn dây$\left(\Omega \right)$

$R$ Điện trở $\left(\Omega \right)$

$\omega$ Tần số góc của dòng điện xoay chiều$\left(rad/s\right)$

Tụ mắc nối tiếp : $\frac{1}{C}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+...+\frac{1}{C_n}$

Nhân $\frac{1}{\omega }$ 2 vế:

$\frac{1}{C\omega }=\frac{1}{C_1\omega }+\frac{1}{C_2\omega }+..+\frac{1}{C_n\omega }$

$\Rightarrow Z_C=Z_{C_1}+Z_{C_2}+...+Z_{C_n}$

Các tụ giống nhau :$Z_C=n{Z}_{C_1}$

Tụ mắc song song : $C=C_1+C_2+...+C_n$

Nhân $\omega$ 2 vế:

$$\begin{gathered} C\omega =C_1\omega +C_2\omega +...+C_n\omega \\ \Rightarrow \frac{1}{Z_C}=\frac{1}{Z_{C_1}}+\frac{1}{Z_{C_2}}+...+\frac{1}{Z_{C_n}} \end{gathered}$$

Các tụ giống nhau :$Z_C=\frac{Z_{C_1}}{n}$

${\phi }_i$ Pha ban đầu của dòng điện

${\phi }_u$ Pha ban đầu của hiệu điện thế.

R điện trở $\left(\Omega \right)$

r điện trở trong nếu có $\left(\Omega \right)$

$U_0$ hiệu điện thế cực đại của mạch

Điện trở $R=a \left(\Omega \right)$

Cảm kháng và dung kháng : $Z_L-Z_C=b$

Trường hợp chỉ có L hoặc C:

Nếu b <0 : Trong mạch có tụ

Nếu b>0 : Trong mạch có cuộn cảm

$\overline{X}$ :

Khi X là cuộn cảm : $\overline{X}=Z_{L}i$

Khi X là cuộn cảm có điện trở : $\overline{X}=r+Z_{L}i$

Khi X là tụ điện : $\overline{X}=-Z_{C}i$

Khi X là điện trở : $\overline{X}=R$

Nếu X nhiều phần tử thì cộng chúng với nhau

${\phi }_X$ pha ban đầu của mạch X

$U_{0X}$ hiệu điện thế cực đại của mạch X

$I_{max}$ dòng điện có giá trị cực đại khi xảy ra cộng hưởng.

$Z_{min}=R+r$ tổng trở bằng R+r

$U_L$ Hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn cảm $\left(V\right)$

$U_C$ Hiệu điện thế giữa hai đầu tụ điện $\left(V\right)$

$U$ Hiệu điện thế giữa hai đầu mạch điện $\left(V\right)$

$U_R$ Hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở $\left(V\right)$

Tổng quát : 

$$\begin{gathered} I_1=I_2\Rightarrow Z_1=Z_2 \\ \iff R^2+{\left(Z_L-Z_{C_1}\right)}^2=R^2+{\left(Z_L-Z_{C_2}\right)}^2 \\ \Rightarrow \left|Z_L-Z_{C_1}\right|=\left|Z_L-Z_{C_2}\right| \\ \Rightarrow Z_L=\frac{Z_{C_1}+Z_{C_2}}{2} \end{gathered}$$

Khi đó : ${\phi }_1=-{\phi }_2=\frac{∆\phi }{2}$

${\phi }_1$ độ lệch pha ứng với mạch khi $C_1$

${\phi }_2$ độ lệch pha ứng với mạch khi $C_2$

$U_{Cmax}$ là hiệu điện thế đạt cực đại khi C thay đổi ,ở trường hợp cực đại khi đó $C=C\text{'} , \phi ={\phi }_0\text{'}$

${\phi }_1$ ứng với pha ban đầu của mạch khi $C=C_1$

${\phi }_2$ứng với pha ban đầu của mạch khi $C=C_2$

Để $U_{C}max$ : $Z_{C\text{'}}=\frac{R^2+{Z_L}^2}{Z_L}$ ;$U_{Cmax}=\frac{U}{R}\sqrt{R^2+{Z_L}^2}$

$$\begin{gathered} U_{RL}\perp U :U_{Cmax}=\sqrt{U^2+{U_{RL}}^2} \\ {U_{Cmax}}^2-U_{Cmax}.U_L-U^2=0 \end{gathered}$$

$\tan \left({\phi }_0\text{'}\right)=-\frac{R}{Z_L}$

$Z_{C\text{'}\text{'}}$ Dung kháng của tụ khi hiệu điện thế $U_{RC}max$

$U_{RC}$ min khi dung kháng của tụ điện bằng 0

$$\begin{gathered} U_{RL}=\frac{U\sqrt{R^2+{\left(Z_L\right)}^2}}{\sqrt{R^2+{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}} \\ Khi : Z_C=2Z_L \\ \Rightarrow U_{RL}=U \end{gathered}$$

Để $U_{C}max$ : $Z_{C\text{'}}=\frac{{\left(R+r\right)}^2+{Z_L}^2}{Z_L}$ ;$U_{Cmax}=\frac{U}{R+r}\sqrt{{\left(R+r\right)}^2+{Z_L}^2}$

$$\begin{gathered} U_{\left(R+r\right)L}\perp U :U_{Cmax}=\sqrt{U^2+{U_{\left(R+r\right)L}}^2} \\ {U_{Cmax}}^2-U_{Cmax}.U_L-U^2=0 \end{gathered}$$

Tổng quát : 

$$\begin{gathered} I_1=I_2\Rightarrow Z_1=Z_2 \\ \iff R^2+{\left(Z_{L_1}-Z_{C_{ }}\right)}^2=R^2+{\left(Z_{L_2}-Z_C\right)}^2 \\ \Rightarrow \left|Z_{L_1}-Z_C\right|=\left|Z_{L_2}-Z_C\right| \\ \Rightarrow Z_C=\frac{Z_{L_1}+Z_{L_2}}{2} \end{gathered}$$

Khi đó : ${\phi }_1=-{\phi }_2=\frac{∆\phi }{2}$

${\phi }_1$ độ lệch pha ứng với mạch khi $L_1$

${\phi }_2$ độ lệch pha ứng với mạch khi $L_2$

Để $U_{L}max$ : $Z_{C\text{'}}=\frac{R^2+{Z_C}^2}{Z_C}$ ;$U_{Lmax}=\frac{U}{R}\sqrt{R^2+{Z_C}^2}$

$$\begin{gathered} U_{RC}\perp U :U_{Lmax}=\sqrt{U^2+{U_{RC}}^2} \\ {U_{Lmax}}^2-U_{Lmax}.U_C-U^2=0 \end{gathered}$$

$\tan \left({\phi }_0\text{'}\right)=\frac{R}{Z_C}$

Để $U_{L}max$ : $Z_{L\text{'}}=\frac{{\left(R+r\right)}^2+{Z_C}^2}{Z_C}$ ;$U_{Lmax}=\frac{U}{R+r}\sqrt{{\left(R+r\right)}^2+{Z_C}^2}$

$$\begin{gathered} U_{\left(R+r\right)C}\perp U :U_{Lmax}=\sqrt{U^2+{U_{\left(R+r\right)C}}^2} \\ {U_{Lmax}}^2-U_{Lmax}.U_C-U^2=0 \end{gathered}$$

$Z_{L\text{'}\text{'}}$Cảm kháng của tụ khi hiệu điện thế$U_{RC} max$

$U_{RL}$min khi cảm kháng của tụ điện bằng 0

$$\begin{gathered} U_{RC}=\frac{U\sqrt{R^2+{\left(Z_C\right)}^2}}{\sqrt{R^2+{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}} \\ Khi : Z_L=2Z_C \\ \Rightarrow U_{RC}=U \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} P_R=\frac{U^{2}R}{R^2+{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}=\frac{U^2}{R^{ }+{\displaystyle \frac{{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}{R}}}\le \frac{U^2}{2\left|Z_L-Z_C\right|} \\ \to P_{R}max=\frac{U^2}{2\left(Z_L-Z_C\right)} khi R=\left|Z_L-Z_C\right| \end{gathered}$$

$\tan \left(\phi \right)=\frac{Z_L-Z_C}{R}\to \tan \left(\phi \right)=\pm 1\to \phi =\pm \frac{\pi }{4}$

$$\begin{gathered} P_R=\frac{U^{2}R}{{\left(R+r\right)}^2+{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}=\frac{U^2}{R^{ }+{\displaystyle \frac{r^2+{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}{R}+2r}}\le \frac{U^2}{2\left(R+r\right)} \\ \to P_{R}max=\frac{U^2}{2\left(R+r\right)} khi R=\sqrt{{\left(Z_L-Z_C\right)}^2+r^2} \end{gathered}$$

$\cos \left(\phi \right)=\frac{R}{\sqrt{{\left(R+r\right)}^2+{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}}=\frac{R}{\sqrt{2R(R-r)}}=\sqrt{\frac{R}{2\left(R+r\right)}}$

$$\begin{gathered} P_{mach}=\frac{U^2\left(R+r\right)}{{\left(R+r\right)}^2+{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}=\frac{U^2}{R+r^{ }+{\displaystyle \frac{{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}{R+r}}}\le \frac{U^2}{2\left|Z_L-Z_C\right|} \\ \to P_{mach}max=\frac{U^2}{2\left(Z_L-Z_C\right)} khi R+r=\left|Z_L-Z_C\right| \end{gathered}$$

$\tan \left(\phi \right)=\frac{Z_L-Z_C}{R+r}\to \tan \left(\phi \right)=\pm 1\to \phi =\pm \frac{\pi }{4}$

$R_1.R_2$ giá trị điện trở khi có mạch có cùng công suất, cường độ dòng điện.

$R$ giá trị điện trở khi có mạch có cùng công suất cực đại $P_{max}=\frac{U^2}{2R}$

Khi R thay đổi 

$$\begin{gathered} U_r=\frac{rU}{\sqrt{{\left(R+r\right)}^2+{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}} max \\ \Rightarrow Khi R=0\Rightarrow U_r max=\frac{rU}{\sqrt{r^2+{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}} \end{gathered}$$

Không phải trường hợp cộng hưởng

Khi r thay đổi :

$$\begin{gathered} P_r=r{I}^2=\frac{U^2}{2R+r+{\displaystyle \frac{R^2+{\left(Z_L-Z_C\right)}^2}{r}}} \\ \to P_r max=\frac{U^2}{2\left(R+r\right)} khi R^2+{\left(Z_L-Z_C\right)}^2=r^{2}x \end{gathered}$$

$I$ cường độ dòng điện qua mạch $\left(A\right)$

$\omega$ tốc độ góc của máy phát điện $\left(rad/s\right)$

$Z_L$ cảm kháng $\left(\Omega \right)$

$Z_C$ dung kháng $\left(\Omega \right)$