Bài giảng Môn Vật lý lớp 12 - Bài thực hành số 3 khảo sát đoạn mạch xoay chiều có r, l, c mắc nối tiếp

Bài thực hành số 3
KHẢO SÁT ĐOẠN MẠCH XOAY CHIỀU
 CÓ R, L, C MẮC NỐI TIẾP
I. MỤC ĐÍCH
Thông qua bài thực hành, học sinh xác định được các thông số đặc trưng cho đoạn mạch xoay chiều có các linh kiện: điện trở, cuộn cảm và tụ điện mắc nối tiếp. Đồng thời học sinh biết thực hiện mạch cộng hưởng điện, một hiện tượng được ứng dụng rất nhiều trong kĩ thuật.
II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1. Các thông số trong mạch điện xoay chiều có RLC mắc nối tiếp
a
b
c
Uad, 6V, 50Hz
d
R
L
C
a
b
c
Uac, 6V, 50Hz
R
L, r
Mắc linh kiện theo sơ đồ trên, với hai trường hợp không có tụ điện C và có tụ điện C. Dùng đồng hồ vôn đo các điện áp trên mạch điện thứ nhất với các vị trí như sau: Uab, Ubc, Uac. Vẽ giản đồ Frenen với các véc tơ tương ứng các điện áp Uab, Ubc, Uac.
Uab =I.R
Ubc =I.Zbc
Uac = I.Zac
a
b
c
IZac
IR
IZbc
IwL
h
Đoạn bh mô tả điện áp trên điện trở thuần của cuộn dây, tức Ubh = I.r. Mà điện trở R và điện trở thuần r mắc nối tiếp nhau, nên ta có: 
Tương tự, ta có: 
Ta có thể dùng thước đo độ dài các đoạn thẳng trên giản đồ Frenen để xác định các đại lượng r và L trong sơ đồ mạch không có tụ điện.
a
c
b
d
h
I.Zac
I.R
I.Zbc
IwL
I/wC
I.r
j
Đối với mạch có đủ các phần tử R, L và C, ta cần xác định các đại lượng L, r, C và công suất tiêu thụ P. Trong trường hợp này cần đo các điện áp Uab, Ubc, Uac, Uad và cũng lập giản đồ Frenen như hình sau:
a
b
c
Uad, 6V, 50Hz
d
R
L
C
Các véc tơ có độ lớn tương ứng với các điện áp Uab, Ubc, Uac, Uad đo được trên mạch.
Ta sẽ có:
Xác định độ lệch pha của cường độ dòng điện I với các điện áp Uab, Ubc, Uac, Uad bằng thước đo góc giữa các véc tơ trên giản đồ frenen.
Công suất P = UadIcosj, với I = Uab/R
Công suất toả nhiệt P' = (R+r).I2.
2. Hiện tượng cộng hưởng: (tham khảo)
Nếu giữ nguyên điện áp hiệu dụng U giữa hai đầu đoạn mạch và thay đổi tần số w sao cho , thì sẽ có hiện tượng cộng hưởng, khi đó tổng trở của mạch đạt giá trị cực tiểu, tức là Zch = Zmin = R. 
Cường độ hiệu dụng của dòng điện trong đoạn mạch đạt cực đại 
Các điện áp tức thời giữa hai đầu tụ và cuộn cảm bằng nhau và ngược pha nhau, nên triệt tiêu nhau, do vậy điện áp hai đầu R bằng hai đầu đoạn mạch.
Cường độ dòng điện biến đổi đồng pha với điện áp hai đầu đoạn mạch.
III. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
- Hộp dụng cụ gồm bảng lắp ráp mạch điện cùng các linh kiện: cuộn dây, tụ điện, điện trở cùng các dây nối.
- Bộ nguồn xoay chiều.
- Máy phát tần số
a
b
c
Uac, 6V, 50Hz
R
L, r
- Đồng hồ đo điện đa năng hiện số DT9205A.
IV. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
1. Xác định các thông số của mạch điện
- Cắm linh kiện lên bảng lắp ráp theo sơ đồ lí thuyết, trong mạch có hai phần tử: Cuộn dây và điện trở.
- Nối dây nguồn cung cấp điện xoay chiều 6V, 50Hz cho mạch điện.
- Dùng đồng hồ vôn đo điện áp tại các chốt của linh kiện và điền vào bảng sau.
Uab (3 lần đo)
Ubc(3 lần đo)
Uac(3 lần đo)
R1 = 10W
R2 = 680W
Tương tự cho trường hợp có thêm tụ điện C
a
b
c
Uad, 6V, 50Hz
d
R
L
C
Đo các điện áp và điền vào bảng sau
R = 10W
Uab(3 lần đo)
Ubc(3 lần đo)
Ucd(3 lần đo)
Uac(3 lần đo)
Uad(3 lần đo)
C1 = 1.5mF
C1 = 2.2mF
C1 = 4.7mF
2. Khảo sát hiện tượng cộng hưởng (tham khảo)
- Nối các linh kiện theo mạch sau.
3V~, 10 - 500Hz
10W
L
20mF
A
- Chọn thang ampe mức 200mA.
- Dùng máy phát tần số, chọn mức điện áp khoảng 3V, tần số điều khiển trong khoảng 10Hz đến 500Hz.
- Điều chỉnh tần số từ 10Hz trở lên, để tìm giá trị cực đại của dòng điện, tức dòng cộng hưởng (dòng tăng dần sau đó giảm dần).
- Khi đạt dòng cực đại, dùng đồng hồ để đo điện áp giữa hai đầu các linh kiện và hai đầu đoạn mạch.
- Xác định tổng trở thuần của điện trở và cuộn dây, và nghiệm lại biểu thức U = Imax.R.
R=10W, L
Imax
U
f
UR
UL
UC
C=20mF
C=40mF
C=10mF
- Vẽ đường cong cộng hưởng cho các trường hợp tụ khác nhau, dùng bảng số lệu sau:
f(Hz)
I(mA)
V. CÁC ĐIỂM CẦN LƯU Ý
- Các biểu thức tính toán ở trên đối với L và C là ứng với tần số 50Hz, nếu thay đổi tần số, cần thay 3,14 bằng 2pf với f là tần số đọc được trên bộ nguồn xoay chiều.
- Cuộn dây có điện trở thuần khá lớn (khoảng từ 20W đến 85, tùy theo nhà sản xuất), nên khi đo điện áp hai đầu điện trở và hai đầu đoạn mạch sẽ khác nhau khá xa (theo lí thuyết thì chúng bằng nhau khi cộng hưởng, đó là với điều kiện điện trở cuộn dây bé có thể bỏ qua).
- Đồng hồ đo điện đa năng hiện số DT9205A, có thêm nút DH là dùng để dừng giá trị hiển thị trên đồng hồ (vì giá trị hiển thị nhiều lúc không ổn định, nên chờ cho đến lúc số hiển thị thay đổi với biên độ nhỏ nhất là được).
Ví dụ, xử kết quả đo được như sau để vận dụng:
R=10W, L
Imax
U
fch
UR
UL,r
UC
C=3mF
mA
3,77V
280Hz
0,53V
9,6V
9,1V
C=4mF
C=1mF
Dùng giản đồ Frenen để xử lí số liệu thu được 
UC =9,1V
UL=9,1V
UL,r=9,6V
Ur =3,2V
UR =0,53V
- Cuộn dây có điện trở thuần khá lớn (khoảng r =31W).
	- Cần phải hiểu điện áp hai đầu điện trở thuần là của điện trở R và điện trở r của cuộn dây, trong trường hợp này điện trở thuần là 10 + 31 = 41W.
	Theo phân tích UAB = UR + Ur = 0,53 + 3,2 = 3,73 V so sánh được với 3,77V
- Vẽ đường cong cộng hưởng cho các trường hợp tụ khác nhau. Đường cong sẽ có dạng:
f
I
- Khi thực hiện khảo sát hiện tượng cộng hưởng, có thể dùng bộ nguồn 6V, 50Hz cố định, lúc đó muốn xác định giá trị cực đại của dòng, có thể điều chỉnh lõi của cuộn cảm.
- Nếu thời gian không cho phép, chỉ khảo sát hiện tượng cộng hưởng.
VI. CÂU HỎI MỞ RỘNG
1. Điện trở thuần của cuộn dây có thể bỏ qua trong thí nghiệm này được không?
2. Trong mạch RLC mắc nối tiếp, khi tăng tần số thì các giá trị của phép đo hiệu điện thế hai đầu các linh kiện là UR, UL, UC thay đổi như thế nào?
3. Cho sơ đồ mạch điện như hình sau, khung dao động RLC (R là điện trở thuần của cuộn dây) được nối với các nguồn tín hiệu có các tần số tương ứng là f1, f2, ….fn. Nếu điều chỉnh tụ C để cho mạch cộng hưởng với tín hiệu fi nào đó, thì tín hiệu ở lối ra sẽ thay đổi như thế nào so với lối vào? Giải thích?
f1, f2, ….fn
Ra
L
Vào
C
VII. BÁO CÁO THỰC HÀNH
THỰC HÀNH KHẢO SÁT ĐOẠN MẠCH XOAY CHIỀU
 CÓ R, L, C MẮC NỐI TIẾP
	Họ và tên:................................................Lớp:..............Nhóm:....................
	Ngày làm thực hành:....................................................................................
	Viết báo cáo theo các nội dung sau:
I.TÓM TẮT LÝ THUYẾT :
Vẽ sơ đồ mạch RLC mắc nối tiếp :
Nêu tóm tắt cách dùng Volt kế xoay chiều và phép vẽ các vectơ quay để xác định các trị số r, R, L, C và cosj 
II. KẾT QUẢ THỰC HÀNH : 
*Xác định các thông số của mạch (không làm phần cộng hưởng)
R = 10W
UAB(3 LẦN ĐO)
UBC(3 LẦN ĐO)
UCD(3 LẦN ĐO)
UAC(3 LẦN ĐO)
UAD(3 LẦN ĐO)
C1 = 1.5mF
C1 = 2.2mF
C1 = 4.7mF
*Vẽ giản đồ frenen cho trường hợp C1 = 4.7mF
*Từ giản đồ, dùng com pa đo các độ dài :
AB = ……………………(mm)	BH = ……………………(mm)	
AC = ……………………(mm)	AD = ……………………(mm)
CH = ……………………(mm)	CD = ……………………(mm)
*Tính ra các trị số của r, L, C, Z và cosj
	 nên 
* Nhận xét chung về bài thí nghiệm
Số liệu tính toán có phù hợp với lí thuyết không.
Khó khăn khi thực hiện bài thí nghiệm này là gì.
III.TRẢ LỜI CÂU HỎI