Báo cáo thực hành: Khảo sát đoạn mạch điện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp

---

Bài 34: Thực hành khảo sát đoạn mạch điện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp

Báo cáo thực hành: Khảo sát đoạn mạch điện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp:

Lời giải:

I. Mục đích thí nghiệm

- Hiểu được hai phương án khảo sát mạch điện xoay chiều bằng thực nghiệm, hiểu được ý nghĩa thực tế của những đại lượng cơ bản là trở kháng, sự lệch pha, hiện tượng cộng hưởng điện.

- Dùng được dao động kí điện tử, mát phát dao động âm tần và các dụng cụ đo thông thường để làm thực nghiệm, liên hệ giữa các phép đo cụ thể để vẽ được giản đồ Fre-nen.

- Rèn luyện kĩ năng thực hành, kĩ năng lựa chọn phương án và sử dụng dụng cụ đo, thông qua đó để củng cố lí thuyết.

II. Cơ sở lý thuyết của hai phương án thí nghiệm.

* Tác dụng đặc biệt của tụ điện và cuộn cảm trong mạch điện xoay chiều khác với mạch điện một chiều.

   + Tụ điện C

      - Không cho dòng điện 1 chiều hay dòng điện không đổi đi qua.

      - Cho dòng điện xoay chiều “đi qua” nhưng cản trở dòng xoay chiều, đại lượng đặc trưng cho mức cản trở của tụ C với dòng xoay chiều gọi là dung kháng:

(Z_C tỉ lệ nghịch với f )

      - Z_C chỉ phụ thuộc vào cấu tạo tụ C và tần số dòng xoay chiều f, dòng điện có tần số càng nhỏ càng bị tụ C cản trở nhiều và ngược lại.

      - Tụ C cản trở dòng xoay chiều nhưng không tiêu hao điện năng.

   + Cuộn dây thuần cảm L:

      - Cho dòng điện không đổi đi qua hoàn toàn mà không cản trở.

      - Cho dòng điện xoay chiều đi qua nhưng cản trở dòng xoay chiều, đại lượng đặc trưng cho mức cản trở củacuộn dây với dòng xoay chiều gọi là cảm kháng Z_L = ω.L = L.2πf (Ω). (Z_L tỉ lệ thuận với f )

      - Z_L chỉ phụ thuộc vào cấu tạo cuộn dây và tần số dòng xoay chiều, dòng điện có tần số càng lớn càng bị cuộn dây cản trở nhiều và ngược lại.

      - Cuộn dây thuần cảm L cản trở dòng xoay chiều nhưng không tiêu hao điện năng.

* Xét đoạn mạch gồm các phần tử R-L-C mắc nối tiếp.

   + Công thức tính tổng trở:

   + Độ lệch pha giữa hiệu điện thế u so với cường độ dòng điện i là φ:

* Tính chất mạch điện:

   - Mạch có tính cảm kháng Z_L > Z_C ⇔ ω²LC > 1 ⇔ ⇒ φ > 0 thì u nhanh pha hơn i

   - Mạch có tính dung kháng Z_L < Z_C ⇔ ω²LC < 1 ⇔ ⇒ φ < 0 thì u chậm pha hơn i

   - Khi Z_L = Z_C ⇔ ⇒ φ = 0 thì u cùng pha với i. Lúc đó gọi là hiện tượng cộng hưởng điện.

* Biểu diễn các đại lượng bằng giãn đồ Fre-nen.

* Biểu thức cường độ dòng điện và hiệu điện thế:

Mạch điện R, L, C cho cường độ dòng điện có biểu thức i = I₀cos(ω.t + φ_i). Khi đó:

   - u_L sớm pha hơn i một góc π/2 biểu thức u_L = U₀L.cos(ω.t + φ_i + π/2).

   - u_C trễ pha hơn i một góc π/2 biểu thức u_C = U₀C.cos(ω.t + φ_i - π/2).

   - u_R cùng với pha hơn i biểu thức u_R = U₀R.cos(ω.t + φ_i).

III. Tiến trình thí nghiệm và kế quả thí nghiệm thu được.

a. Phương án 1

+ Khảo sát hai động đồng pha.

   - Kiểm tra và mắc mạch điện theo sơ đồ hình 34.3. Sau đó điều chỉnh dao động ký để quan sát đồng thời hai động cùng pha.

   - Đồ thị trên màn hình có dạng như hình vẽ:

+ Khảo sát hai dao động lệch pha nhau.

   - Mắc tụ C vào thay thế cho điện trở R2 như hình 34.4.

   - Điều chỉnh để quan sát đồng thời đồ thị của hai dao động lệch pha do tụ điện.

   - Đồ thị trên màn hình có dạng như hình vẽ:

   - Mắc cuộn cảm thay thế cho tụ điện C, điều chỉnh để quan sát đồng thời đồ thị của hai dao động lệch pha do cuộn cảm. Đồ thị trên màn hình khi đó có dạng như hình vẽ:

   - Mắc thêm tụ điện C nối tiếp với L tạo thành mạch RLC, để quan sát được đồng thời của hai dao động lệch pha do R, L, C ta thay đổi cách mắc kênh Y2 như hình vẽ:

   - Đồ thị trên màn hình khi đó có dạng như hình vẽ:

b. Phương án 2: Dùng vôn kế và ampe kế xoay chiều để khảo sát định lượng

- Kiểm tra các dụng cụ và mác mạch điện theo sơ đồ (hình 34.5)

- Điều chỉnh nguồn điện có điện áp U₁ tùy chọn. Dùng vôn kế đo lần lượt các điện áp ở các dụng cụ…

- Lặp lại hai lần nữa với điện áp nguồn U₂, U₃ rồi đo như trên. Ghi số liệu qua ba lần đo vào bảng 34.1

Bảng 34.1

Lần đo	I	UR	UL	UC	URLC
Với nguồn U1 = 15V	0,03A	13,6V	4,9V	9,7V	14,5V
Với nguồn U2 = 20V	0,04A	18,1V	6,5V	12,9V	19,2V
Với nguồn U3 = 24V	0,05A	21,8V	8,1V	16,1V	23,8V

- Tính các trở kháng Z_L, Z_C, Z toàn mạch và sai số tương ứng.

Z_L1 = U_L1/I₁ = 4,9/ 0,03 = 163,3Ω;

Z_L2 = U_L2/I₂ = 6,5/ 0,04 = 162,5Ω;

Z_L3 = U_L3/I₃ = 8,1/ 0,05 = 162,0Ω;

Z_C1 = U_C1/I₁ = 9,7/ 0,03 = 323,3Ω;

Z_C2 = U_C2/I₂ = 12,9/ 0,04 = 322,5Ω;

Z_C3 = U_C3/I₃ = 16,1/ 0,05 = 322,0Ω;

Z₁ = U₁/I₁ = 14,5/ 0,03 = 483,3Ω;

Z₂ = U₂/I₂ = 19,2/ 0,04 = 480,0Ω;

Z₃ = U₃/I₃ = 23,8/ 0,05 = 476,0Ω;

- Minh họa bằng giản đồ Fre-nen

Vì cuộn dây có điện trở trong, nên điện áp hai đầu cuộn cảm lệch pha với cường độ dòng điện một góc ≠ π/2.