Giải vật lí 12 bài 15: Công suất tiêu thụ của mạch điện xoay chiều. Hệ số công suất
Hướng dẫn giải bài tập, bài thực hành trong bài 15: Công suất tiêu thụ của mạch điện xoay chiều. Hệ số công suất - sách giáo khoa vật lí 12. Tất cả các kiến thức lý thuyết và bài tập trong bài học này đều được giải đáp cẩn thận, chi tiết. Chúng ta tham khảo để học tốt vật lí 12 bài 15: Công suất tiêu thụ của mạch điện xoay chiều. Hệ số công suất nhé.
[toc:ul]
I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
I. Công suất tiêu thụ của mạch RLC nối tiếp
Biểu thức của công suất:
Xét mạch RLC mắc nối tiếp, cường độ dòng điện trong mạch là: $i = I_{0}\cos (wt)$ (A), điện áp tức thời giữa hai đầu mạch là: $u = U_{0}\cos (wt + \varphi _{i})$ (V). Khi đó, công suất tức thời của mạch là:
p = u.i (W)
hay: $p = U_{0}.I_{0}.\cos (wt).\cos (wt + \varphi )$
$p = 2.U.I.\cos (wt).\cos (wt + \varphi )$
$p = U.I.\cos (\varphi ) + U.I\cos (2wt + \varphi )$
Kết luận: Công suất tiêu thụ tức thời biến thiên tuần hoàn quanh giá trị $U.I.\cos (\varphi )$ với tần số bằng hai lần tần số của dòng điện xoay chiều (f' = 2f).
Công suất tiêu thụ trung bình
$P_{TB} = U.I.\cos \varphi $ (*)
Trong đó: U: Hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu đoạn mạch (V).
I: Cường độ dòng điện hiệu dụng ở hai đầu mạch (A).
PTB: Công suất tiêu thụ trung bình của mạch.
$\varphi $: Độ lệch pha giữa u và i
$\cos \varphi $: Hệ số công suất
Điện năng tiêu thụ của mạch điện: W = P.t
II. Hệ số công suất
Trong công thức (*), $\cos \varphi $ được gọi là hệ số công suất.
Do $\varphi \leq 90^{\circ}$ nên $0 \leq \cos \varphi \leq 1$.
Ý nghĩa của hệ số công suất:
Từ công thức (*) $\Rightarrow $ $I = \frac{P}{U.}\cos \varphi $
Ta thấy: Khi mạch hoạt động ổn đinh thì P = const, U = const
$\Rightarrow $ mạch có $\cos \varphi $ càng lớn thì I càng nhỏ, lúc này công suất hao phí trên đường dây càng nhỏ mạch tiêu thụ điện càng tốt. Như vậy, hệ số công suất đặc trưng cho mức độ tiêu thụ điện của mạch.
Chú ý: Các dụng cụ tiêu thụ điện trong thực tế luôn có $\cos \varphi \geq 0,85$.
Biểu thức tính hệ số công suất:
$\cos \varphi = \frac{U_{R}}{U} = \frac{R}{Z} = \frac{R}{\sqrt{R^{2} + (Z_{L} - Z_{C})^{2}}}$
Xét một số mạch đặc biệt
- Mạch chỉ có R: $\cos \varphi = 1$ $\Rightarrow $ $P = U_{R}.I$.
- Mạch chỉ có tụ điện hoặc mạch chỉ có cuộn cảm thuần: $\cos \varphi = 0$ $\Rightarrow $ $P = 0$.
Kết luận: Trong mạch RLC mắc nối tiếp thì:
- Chỉ có R tiêu thụ điện, L và C không tiêu thụ điên.
- Công suất tiêu thụ của mạch là: $P = U.I.\cos \varphi = U_{R}.I = I^{2}.R = \frac{U_{R}^{2}}{R}$.
II. GIẢI BÀI TẬP
Giải câu 1: Công suất điện tiêu thụ trong một...
Công suất điện tiêu thụ trong một mạch điện xoay chiều phụ thuộc vào những đại lượng nào ?
Bài giải:
Từ biểu thức của công suất trung bình: $P_{TB} = U.I.\cos \varphi $ suy ra cồn suất tiêu thụ điện trong một mạch điện xoay chiều phụ thuộc vào:
- Hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai đầu đoạn mạch.
- Cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch.
- Hệ số công suất của mạch.
Giải câu 2: Hệ số công suât của một mạch điện...
Hãy chọn câu đúng.
Hệ số công suât của một mạch điện R L C nối tiếp bằng:
A. RZ.
B. $\frac{Z_{L}}{Z}$.
C. $\frac{R}{Z}$.
D. $\frac{Z_{C}}{Z}$.
Bài giải:
Chọn đáp án D.
Giải thích: Bạn đọc xem lại kiến thức trọng tâm tại đây.
Giải câu 3: Hệ số công suất trong mạch điện...
Hãy chọn câu đúng.
Hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều gồm R, L, C mắc nối tiếp với ZL = ZC :
A. Bằng 0.
B. Bằng 1.
C. Phụ thuộc R.
D. Phụ thuộc $\frac{Z_{C}}{Z_{L}}$.
Bài giải:
Chọn đáp án B.
Giải thích: Khi ZL = ZC thì trong mạch xảy ra cộng hưởng nên u và i cùng pha. Từ đó, ta chọn được đáp án B.
Giải câu 4: Mạch điện xoay chiều nối tiếp...
Hãy chọn câu đúng
Mạch điện xoay chiều nối tiếp R = 10 Ω; ZL = 8 Ω; ZC = 6 Ω với tận số f. Giá trị của tần số để hệ số công suất bằng 1:
A. là một số < f.
B. là một số >f.
C. là một số = f.
D. không tồn tại.
Bài giải:
Chọn đáp án A.
Giải thích:
Tần số cộng hưởng:
$\cos \varphi = 1$ $\Leftrightarrow $ trong mạch xảy ra hiện tượng cộng hưởng.
$\Leftrightarrow $ $\omega _{0} = \frac{1}{\sqrt{L.C}}$
$\Leftrightarrow $ $\omega _{0} = 2\pi f_{0}$
$\Leftrightarrow $ $f_{0} = \frac{1}{2\pi .\sqrt{L.C}}$ (*)
Tần số trong mạch khi chưa xảy ra cộng hưởng là:
Ta có: $Z_{L} = \omega .L$ $\Leftrightarrow $ $8 = 2\pi .f.L$
$Z_{C} = \frac{1}{\omega .C}$ $\Leftrightarrow $ $6 = \frac{1}{2\pi .f.C}$.
$\Rightarrow $ $f = \frac{2\sqrt{3}}{3}.\frac{1}{2\pi .\sqrt{L.C}}$ (**)
Từ (*) và (**) $\Rightarrow $ f0 < f.
Giải câu 5: Cho mạch điện trên hình 15.2, trong đó...
Cho mạch điện trên hình 15.2, trong đó L là một cuộn cảm thuần, điện áp hai đầu mạch $u _{PQ} = 60\sqrt{2}.\cos 100\pi t$ (V), các điện áp hiệu dụng UPN = UNQ = 60 V. Hệ số công suất của mạch là bao nhiêu ?
A. $\frac{\sqrt{3}}{2}$.
B. $\frac{1}{3}$.
C. $\frac{\sqrt{2}}{2}$.
D. $\frac{1}{2}$.
Bài giải:
Chọn đáp án A.
Giải thích:
Điện áp giữa hai đầu mạch là: $U_{PQ} = \sqrt{U^{2}_{R} + (U_{L} - U_{C})^{2}} = \sqrt{U^{2}_{R} + (U_{L} - 60)^{2}} = 60$ (V). (1)
Điện áp giữa hai đầu đoạn PN là: $U_{PN} = \sqrt{U^{2}_{R} + U^{2}_{L}} = 60$ (V). (2)
Giải hệ gồm hai phương trình (1) và (2), ta thu được: $U_{R} = 30\sqrt{3}$ (V) và $U_{L} = 30$ (V).
Hệ số công suất của mạch là: $\cos \varphi = \frac{U_{R}}{U} = \frac{30\sqrt{3}}{60} =\frac{\sqrt{3}}{2}$
Giải câu 6: Mạch điện xoay chiều nối tiếp gồm có...
Mạch điện xoay chiều nối tiếp gồm có R = 30 Ω; $L = \frac{5}{\pi }$ mH; $C = \frac{50}{\pi }$ μF cung cấp bởi điện áp hiệu dụng 100 V, f = 1 kHz. Hãy xác định công suất tiêu thụ và hệ số công suất.
Bài giải:
Tần số góc của mạch là: $\omega = 2\pi f = 2\pi . 10^{3} = 2000\pi $ (rad/s)
Dung kháng và cảm kháng của mạch là: $Z_{C} = \frac{1}{\omega .C} = \frac{1}{2000\pi .\frac{50.10^{-6}}{\pi }} = 10$ $\Omega $; $Z_{L} = \omega .L = 2000\pi .\frac{5.10^{-3}}{\pi } = 10$ $\Omega $.
Do ZL = ZC nên trong mạch xảy ra hiện tượng cộng hưởng $\Rightarrow $ $\cos \varphi = 1$ (hệ số công suất).
Công suất của mạch là: $P = \frac{U^{2}}{R} = \frac{100^{2}}{30} \approx 333$ (W).