Pha ban đầu của mạch điện xoay chiều - Vật lý 12

Với $u,i$ là giá trị tức thời của hiệu điện thế , cường độ dòng điện trong mạch $\left(V\right) ; \left(A\right)$.

Với $U_0,I_0$ là giá trị cực đại của hiệu điện thế , cường độ dòng điện trong mạch .

Với $U,I$ là giá trị hiệu dụng của hiệu điện thế , cường độ dòng điện trong mạch .

${\phi }_u,{\phi }_i$ pha ban đầu của u và i . 

Đồ thị của u và i theo t.u và i dao động cùng chu kì , tần số và có dạng hình sin, cos

u nhanh pha so với i                       u chậm pha so với i

(i chậm pha so với u )                     (i nhanh pha so với u)

${\phi }_i={\phi }_u-\phi$

Trong một chu kì đèn tắt hoặc sáng 2 lần;

$n=2\frac{t}{T}=2N$

Đối với mạch chỉ có điện trở R cường độ dòng điện cùng pha với hiệu hiệu thế đặt vào mạch và hiệu điện thế vào hai đầu điện trở.

Đối với mạch chỉ có cuộn cảm thuần cường độ dòng điện chậm pha $\frac{\pi }{2}$ với hiệu hiệu thế đặt vào mạch và hiệu điện thế vào hai đầu cuộn cảm thuần.

Đối với mạch chỉ có tụ điện cường độ dòng điện nhanh pha $\frac{\pi }{2}$  với hiệu hiệu thế đặt vào mạch và hiệu điện thế vào hai đầu tụ điện.

Từ lý thuyết ta có :

$$\begin{gathered} {\phi }_R-{\phi }_i=0 \\ {\phi }_L-{\phi }_i=\frac{\pi }{2} \\ {\phi }_C-{\phi }_i=-\frac{\pi }{2} \end{gathered}$$

X cùng pha với i là điện trở R

X nhanh pha góc pi/2 với i là cuộn cảm thuần L

X chậm pha góc pi/2 với i là tụ điện C

Cách 2 dùng số phức : $X=\frac{U_0\angle {\phi }_u}{I_0\angle {\phi }_i}$ (shift 23 để chuyển dạng i sang dạng góc trong mode số phức)

Nếu  $X$ có dạng : $A$ là điện trở có giá trị A

Nếu  $\left(X\right)$ có dạng :  $Ai$ là  cảm kháng có giá trị A

Nếu  $X$ có dạng : $-Ai$ là dung kháng có giá trị A

$\phi >0\Rightarrow Z_L>Z_C :$ 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

$U_0$ 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

$U_{0C}$ Hiệu điện thế cực đại đặt vào tụ điện

$U_{0C}=Z_C.I_0=Z_C.\frac{U_0}{Z}$

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

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

$U_{0R}$ Hiệu điện thế cực đại đặt vào điện trở

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

$$\begin{gathered} {\phi }_L-{\phi }_i=0 \\ {\phi }_u-{\phi }_i=\phi \\ \Rightarrow {\phi }_L=-\phi +{\phi }_u \end{gathered}$$

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

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

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

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

$U_0$ 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.

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

$I_0$ Dòng điện cực đại đặt vào mạch điện.

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

${\phi }_i$ pha ban đầu của dòng điện.

Từ giản đồ véc tơ trượt :

$\phi$ độ lệch pha của cả mạch

${\phi }_2$ độ lệch pha của của cuộn dây

$\phi$ độ lệch pha của mạch chính

$U_R$Hiệu điện thế hiệu dụng của điện trở $\left(V\right)$

$U_r$Hiệu điện thế hiệu dụng của điện trở trong$\left(V\right)$

$U_L$Hiệu điện thế hiệu dụng của cuộn cảm thuần $\left(V\right)$

$U_C$Hiệu điện thế hiệu dụng của tụ điện $\left(V\right)$

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

$Z_L$Cảm kháng$\left(\Omega \right)$

$Z_{C }$Dung kháng $\left(\Omega \right)$

$r$Điện trở trong$\left(\Omega \right)$

$R$Điện trở$\left(\Omega \right)$

${\phi }_i$ 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

Hiện tượng cộng hưởng là hiện tương xảy ra trong mạch RLC ,thay đổi L,C, f để I,P max.Khi đó

$u$cùng pha với $i$ ,hệ số công suất $\cos \left(\phi \right)=1$

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

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

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

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 $L_2$

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

${\phi }_1$ ứng với pha ban đầu của mạch khi $L=L_1$

${\phi }_2$ứng với pha ban đầu của mạch khi $L=L_2$

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

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

$\phi {\text{'}}_0$ pha của mạch khi $\omega$ thay đổi đến ${\omega }_{Lmax}$

$U_{Lmax}$ hiệu điện thế cuộn cảm đạt cực đại khi $\omega$ thay đổi

$\phi {\text{'}}_0$ pha của mạch khi $\omega$ thay đổi đến ${\omega }_{Cmax}$

$U_{Cmax}$ hiệu điện thế tụ điện đạt cực đại khi $\omega$ thay đổi

Với mạch RLC cộng hưởng : $\phi =0\to \cos \left(\phi \right)=1\to P=R{I}^2$

Với mạch chỉ có L,C : $\phi =\pm \frac{\pi }{2}\to \cos \left(\phi \right)=0\to P=0$

Kết luận : công suất tỏa nhiệt chỉ có trên R

Hệ số công suất cho biết khả năng sử dụng điện năng của mạch

$I=\frac{P}{U.\cos \left(\phi \right)}$

Khi $\cos \left(\phi \right)$ tiến đến 1 ,hao phí giảm , càng có lợi

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

Ta thường mắc các bộ tụ để giảm $\phi$

Trong các mạch điện : $\cos \left(\phi \right)\ge 0,85$

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

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

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

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