Skkn chuyên đề dòng điện biến đổi trong mạch điện có r,l,c,diot

Chun đề: DỊNG ĐIỆN BIẾN ĐỔI
TRONG MẠCH ĐIỆN CĨ R,L,C,DIOT
A. Mở đầu
I. Lý do chọn đề tài:
Học sinh đội tuyển vật lý của trường THPT Chuyên Lào Cai chưa bao giờ
cảm thấy dễ dàng khi tiếp cận “Bài tốn dịng điện biến đổi trong mạch có
R,L,C,Điot”. Các em ln thấy lúng túng, muốn buông khi đối mặt với nhiều bài
tập trong phần này vì tác dụng của từng phần tử trong mạch là rất khác nhau,
nhất là khi chúng phối hợp với nhau trong các điều kiện ban đầu khác nhau.
II. Mục đích
Tơi thực hiện chun đề này để làm tài liệu cho bản thân và học sinh đội
tuyển vật lý sử dụng và liên tục chỉnh sửa, thêm dữ liệu theo các năm để ngày
càng hồn thiện và có ích hơn.
III. Thực hiện và kết quả
- Thực hiện: tài liệu đã được sử dụng trong quá trình dạy đội tuyển vật lý K15.
Và ôn đội tuyển quốc gia
- Kết quả: học sinh đã dễ dàng tiếp cận và làm chủ kiến thức hơn. Chủ động
phân tích, dự đốn diễn biến vật lý trong mạch điện chính xác hơn. Lượng bài
tập thực hiện được trong phần này đã được cải thiện.
B. Nội dung
I. Dòng điện qua R, L, C, Điot trong một số mạch điện một chiều
Trong phần này tôi trình bày một số cách nghĩ về tác dụng của từng
phần tử R,L,C,Điot trong mạch điện. Trong đó có so sánh tương đối
tác dụng của chúng với một số đối tượng vật lý thân thuộc mà thường
học sinh đã hiểu rõ tác dụng, để các em dễ dàng làm chủ kiến thức
hơn.

skkn


1. Điện trở khơng đổi

Đặc tuyến U-I là tuyến tính. Phản ứng tức thời với mọi sự thay đổi hiệu điện thế
+ Biểu thức định luật ôm:
Cho điện trở:

. Cho đoạn mạch:

2. Tụ điện
Tụ điện lý tưởng là phần tử có khả năng tích điện hoặc phóng điện tức thời.
Phản ứng tức thời với sự thay đổi hiệu điện thế. Nếu hiệu điện thế có bước nhảy (đóng
hoặc ngắt khóa điện) thì điện tích trên tụ cũng có bước nhảy theo vì đặc tuyến q-u là
tuyến tính. Khơng đề cập đến dịng điện nạp cho tụ trong tình huống đó, cũng có thể
hiểu là có dịng điện cực lớn trong thời gian vơ cùng nhỏ khi có bước nhảy về hiệu
điện thế
Ví dụ 1: đóng mạch nạp điện cho tụ bằng một hiệu điện thế cố định.
Ngay khi đóng khóa K thì hiệu điện thế và điện tích trên tụ có bước nhảy về giá trị.
Hiệu điện thế hai bản tụ ngay lập tức đạt giá trị hiệu điện thế của nguồn.
Ví dụ 2: Tụ đã tích điện nạp cho 1 tụ chưa tích điện – đóng mạch.

C1

Ban đầu tụ C1 tích điện Q. Tụ C2 chưa tích điện. Ngay khi đóng
khóa K thì có sự xắp xếp lại điện tích trong mạch và đạt được
trạng thái cân bằng ngay lập tức. Kết quả là:

K
C2

Mạch khơng có điện trở nên phép tính cường độ dịng điện trong
giai đoạn cân bằng mạch là khơng khả thi và khơng có ý nghĩa.
Ví dụ 3: Làm chậm q trình tích điện ở ví dụ 2 cho tụ bằng điện trở

trong đó

C
q1 1

A

K

R
i C2
q2

skkn

B


Nhận xét: Đó là biểu thức mà điện tích trên tụ C1 giảm dần theo thời gian và q2 tăng
dần theo thời gian để đến giá trị ổn định

và

như kết quả của ví

dụ 2.
3. Cuộn cảm
Hệ số tự cảm L là đại lượng đặc trưng cho khả năng xảy ra cảm ứng điện từ trên
cuộn cảm. Trong mạch điện L chỉ đáng kể trên một số phần tử có cấu tạo đặc biệt như
cuộn dây, dây soắn, môi trường bên trong có độ từ thẩm cao…

- Vận tốc lớn sẽ trang bị năng lượng cho 1 hòn đá dưới dạng động năng mv2/2
Cũng tương tự dòng điện lớn sẽ trang bị năng lượng cho 1 cuộn cảm dưới dạng năng
lượng từ Li2/2. Vậy L có ý nghĩa như m. Ta có thể hiểu nó đặc trưng cho mức qn
tính của cuộn dây. M làm khó thay đổi vận tốc như thế nào thì L làm khó thay đổi
dịng điện như thế. Dưới tác dụng lực, vật sẽ thay đổi vận tốc một cách liên tục thì
dưới tác dụng của một hiệu điện thế dòng điện qua cuộn dây cũng sẽ thay đổi một cách
liên tục. Vậy dòng điện qua L khơng thể bất chợt có bước nhảy vọt gián đoạn được.
(trừ trường hợp làm mạch hở).
Vd1: nguồn không đổi U phóng điện qua cuộn dây
(Khi ngắt dịng qua cuộn dây thì có thể hiểu là dịng đột ngột biến mất nên cuộn dây
bức xạ năng lượng từ trường vào không gian cũng như khi một vật đang chuyển động
thì đột ngột va chạm với phần tử khác thì động năng của nó cũng đột ngột thay đổi)
Vd2: Nguồn khơng đổi U phóng điện qua một điện trở và cuộn dây
Chọn chiều dịng điện như hình vẽ và áp dụng định luật ôm cho
đoạn mạch AB ta được:

A

L

B

ec = -Li’

R

skkn

E;r

Biểu thức trên cho thấy cường độ dòng điện tăng dần từ giá
trị 0 đến giá trị ổn định là
Nhận xét: nếu R càng lớn thì thời gian dịng điện ổn định càng lâu. Vậy R có tác dụng
làm chậm q trình ổn định dịng điện qua cuộn dây
Vd3: tụ đã nạp điện phóng điện qua cuộn dây
Chọn chiều dịng điện như hình vẽ và áp dụng định luật ơm cho
đoạn mạch AB ta được:

A

L

B

ec = -Li’

C

Vd4: tụ đã nạp điện phóng điện qua điện trở và cuộn dây
Chọn chiều dịng điện như hình vẽ và áp dụng định luật ôm cho
đoạn mạch AB ta được:

L

A

B

ec = -Li’

Đặt

R

Cơ sở của phép đặt:

C

+ Về hiện tượng: Nếu khơng có điện trở R thì trong mạch có dao động điện từ tự
do. Ở trường hợp này có điện trở R nên dao động điện từ đó bị tắt dần.
+ Về tốn học: Dao động điện từ tự do được mô tả bằng hàm điều hòa hoặc
hàm e mũ theo biến t và số phức i. Đại lượng tắt dần có giá trị giảm dần theo
thời gian và được biểu diễn theo hàm e mũ âm theo thời gian.

Biểu thức trên có dạng 1 số phức = 0. Vậy cả phần thực và phần ảo đều phải = 0

Vậy biểu thức điện tích của tụ phụ thuộc thời gian là:

skkn


Là biểu thức tương tự với 1 dao động tắt dần

Vd5: Cuộn dây đang có dịng điện thì ngắt nguồn -> tạo dịng điện phóng qua nhánh
khác có điện trở
Chọn chiều dịng điện như hình vẽ và áp dụng định luật ôm cho
đoạn mạch AB ta được:
với
Biểu thức mô tả dịng điện khơng tắt ngay, vẫn theo hướng

ban đầu và giảm liên tục dần về giá trị 0

E;r

A

L

K

B

ec = -Li’

R

4. Điot
Điot là phần tử chỉ cho phép dòng điện qua nó theo một chiều. Hoạt động do sự
phân cực
TH1: Điot lý tưởng
U > 0 => ko cản trở dòng điện. Tác dụng như 1 dây dẫn
U < 0 => không cho dịng điện đi qua.
Vậy nếu có một dịng điện xoay chiều tác dụng lên điot thì khi i > 0 thì Đ mở.
Khi i = 0 => diot đóng. Vậy sau đó nó đóng đến bjo vì i đang liên tục = 0. Đến
đây lại áp dụng điều kiện mở của diot là lúc nó được phân cực thuận U > 0
TH2: điot hoạt động theo một đặc tuyến cho sẵn
VD: …
Khi đó có thể xác định một hàm số hoạt động của điot trong đó có thể có điện
trở hoạt động R = du/di

II. Bài tập cơ sở

skkn


- Dưới đây là một số bài tập tôi lựa chọn trong tài liệu phổ thơng có
sẵn nên sẽ khơng mất thời gian gõ lại đề bài nữa.
- “Hướng dẫn giải” ở mỗi bài là cách tiếp cận đề bài để suy luận ra
diễn biến vật lý mà đề bài đưa ra. Qua đó học sinh dễ dãng hơn để
xác định kiến thức cần sử dụng để diễn tả các diễn biến đó và đồng
thời cũng có các điều kiện biên để tính được giá trị các đại lượng đặc
trưng ở cuối bài giải.
- Sử dụng các bài tập trong “Những chuyên đề nâng cao Vật Lý
trung học phổ thông” tr253-302

Bài 1: tr253
Hướng dẫn giải
Giai đoạn 1: C được nạp điện từ nguồn thông qua một điện trở. Vậy đây là quá
trình nạp điện chậm theo lý thuyết đã trình bày trên.
Giai đoạn 2: Khi đóng thêm khóa K2: ta có thêm một mạch kín qua cuộn dây.
Để ý tác dụng cản trở dòng điện của cuộn dây ta sẽ biết được giá trị cường độ
dòng điện qua cuộn dây phải tăng dần từ 0.
Bài 2: tr254
Hướng dẫn giải:
Giai đoạn 1: khi vừa đóng K thì điot bị phân cực ngược nên chỉ có dịng điện
phóng từ C qua cuộn dây. Do tác dụng đã biết của cuộn dây nên dịng điện này
tăng dần từ 0 và có xu hướng biến đổi theo hàm điều hòa.
Giai đoạn 2: Khi i cực đại, hiệu điện thế của tụ = 0 và có xu hướng chuyển âm.
Khi đó điot được phân cực thuận và tự động mở co dòng điện đi qua L2. Khi
dịng điện phóng ngược lại qua C = 0 lần tiếp theo là lúc điện áp trên tụ đạt giá

trị cực đại
Bài 3:tr256

skkn


Hướng dẫn giải:
Đóng K thì có dịng điện tăng dần từ 0 do tác dụng của L. Dùng định luật Ôm sẽ
viết được biểu thức của cường độ dòng điện trong mạch theo thời gian. Từ đó
tìm được thời điểm dòng điện cực đại và bằng 0. Khi cường độ dịng điện bằng 0
thì điện áp có xu hướng phân cực ngược cho điot ở thời điểm tiếp theo. Vậy từ
đó điện áp trên tụ đạt giá trị ổn định vì điot đóng mãi.
Bài 4, bài 5: Hiện tượng khơng có gì đặc biệt
Bài 6: tr261
Hướng dẫn giải:
C1: dùng các định luật về dòng điện trong mạch viết được biểu thức liên quan
giữa điện tích qua dây nối với cường độ dịng điện qua cuộn dây. Lấy tích phân
với cận của dịng điện qua cuộn dây tính được. Thời điểm đầu i = 0; thời điểm
ổn định thì khơng cịn hiện tượng cảm ứng điện từ nên tính được iổn định qua L.
C1: Dùng các định luật về dòng điện trong mạch và viết được biểu thức phụ
thuộc thời gian của dịng điện qua dây nối A với B.
Tính tích phân theo thế cận thời gian từ 0 – vô cùng được điện tích dịch chuyển
qua dây nối.
Câu 7: tr262
Hướng dẫn giải:
Lý giải về hiện tượng xảy ra khi tăng giảm L:
Thời điểm i = 0: do khơng có năng lượng trong từ trường nên thay đổi L không
làm biến đổi năng lượng trong mạch.
Thời điểm i khác 0 thì thay đổi L cũng làm thay đổi i: Ldi = -idL (biến đổi từ ec)
Qua đó làm thay đổi năng lượng từ trường trong cuộn dây. Vậy việc giảm L ở

thời điểm i max trong đề bài đóng vai trị bù năng lượng trong mạch. Vậy điều
kiện để duy trì được dao động là năng lượng bù lớn hơn hoặc bằng năng lượng
hao phí ở điện trở trong nửa chu kỳ

skkn


Câu 1: tr266
Khi mạch kín và đã ổn định tính được dòng điện qua cuộn dây và tụ điện.
Khi ngắt mạch toàn bộ năng lượn từ tụ và cuộn dây sẽ dần tỏa thành nhiệt ở điện
trở
Câu 2: tr 267
Đóng khóa K: ngay sau đó tụ được tích đầy điện. Dịng điện qua cuộn dây tăng
dần tuyến tính theo thời gian.
Ngắt K: ta có mạch dao động LC lý tưởng nên tìm điều kiện ucmax = 2E là đơn
giản
Câu 3: tr268
Lưu ý 1: Cần hiểu việc nạp lại y như ban đầu của tụ C là lấy lại đúng điện tích
cùng dấu y như ban đầu (thời gian diễn biến là T chứ không phải nửa chu kỳ
như hs hay nghĩ)
Lưu ý 2: Cần hiểu điện tích di chuyển qua là điện tích đi qua hay đổi chiều đi
ngược lại đều được đếm.
Câu 4: tr270
Lưu ý trường hợp cuộn dây bị thay đổi tức thời hệ số tự cảm khi có dịng điện
khác 0 thì từ thơng qua nó khơng thay đổi. (cơ sở là suất điện động cảm ứng trên
cuộn dây ec = - tốc độ biến thiên từ thơng. Nhưng xét trong thời gian vơ cùng
nhỏ thì từ thông chưa kịp biến đổi)
Câu 6: tr 273:
Là câu làm rõ thêm hiện tượng từ bài 2 tr254 về mặt diễn biến thời gian của
dòng điện qua mỗi phần tử. Đã được hướng dẫn bên trên

III. Bài tập nâng cao

skkn


Lưu ý: Đây là phần tài liệu chọn lọc được từ internet. Dùng để học sinh tự
giải quyết trên cơ sở là đã thực hiện xong các bài tập phía trên

skkn


skkn


skkn


skkn


C. Kết luận
- Để thực hiện tốt chuyên đề học sinh cần được trang bị tốt kiến thức cần thiết
sau
+ Phép tính tích phân, đạo hàm
+ Biến đổi lượng giác cơ bản
+ Kiến thức về các dạng năng lượng, thực hiện cơng và bảo tồn năng lượng
- Chun để sẽ được bổ xung thêm lượng bài tập sau mỗi năm để ngày càng
hoàn thiện hơn.
D. Tài liệu tham khảo

- SGK vật lý chuyên 11
- Những chuyên đề nâng cao Vật Lý trung học phổ thông
- Tài liệu khai thác từ mạng internet

skkn