Đặt điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng U không đổi vào hai đầu đoạn mạch AB mắc nối tiếp gồm cuộn dây thuần cảm có độ tự cảm L, điện trở R và tụ điện có điện dung C. Tần số góc ω của điện áp là thay đổi được. Hình vẽ bên là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của điện áp hiệu dụng trên L theo giá trị tần số góc ω. Lần lượt cho ω bằng x, y và z thì mạch AB tiêu thụ công suất lần lượt là P1, P2 và P3. Biểu thức nào sau đây đúng?
Trả lời bởi giáo viên
Điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn dây là:
\({U_L} = \dfrac{{U.{Z_L}}}{{\sqrt {{R^2} + {{\left( {{Z_L} - {Z_C}} \right)}^2}} }} = \dfrac{{U.{Z_L}}}{R}.\dfrac{R}{{\sqrt {{R^2} + {{\left( {{Z_L} - {Z_C}} \right)}^2}} }} = \dfrac{{U.{Z_L}.cos\varphi }}{R}\)
Với tần số ω1 = x; ω2 = y và ω3 = z, ta có:
\(\dfrac{1}{{{\omega _1}^2}} + \dfrac{1}{{{\omega _3}^2}} = \dfrac{2}{{{\omega _2}^2}}\)
Từ đồ thị ta thấy:
\(\begin{array}{l}{U_{L1}} = {U_{L3}} = \dfrac{3}{4}{U_{L2}} = \dfrac{3}{4}{U_{L\max }}\\ \Rightarrow \dfrac{{U.{Z_{L1}}\cos {\varphi _1}}}{R} = \dfrac{{U.{Z_{L3}}\cos {\varphi _3}}}{R} = \dfrac{3}{4}\dfrac{{U.{Z_{L2}}\cos {\varphi _2}}}{R}\\ \Rightarrow {\omega _1}^2{\cos ^2}{\varphi _1} = {\omega _3}^2{\cos ^2}{\varphi _3} = \dfrac{9}{{16}}{\omega _2}^2{\cos ^2}{\varphi _2}\\ \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}\dfrac{{{{\cos }^2}{\varphi _1}}}{{{{\cos }^2}{\varphi _2}}} = \dfrac{9}{{16}}\dfrac{{{\omega ^2}}}{{{\omega _1}^2}}\\\dfrac{{{{\cos }^2}{\varphi _2}}}{{{{\cos }^2}\varphi }} = \dfrac{9}{{16}}\dfrac{{{\omega ^2}}}{{{\omega _2}^2}}\end{array} \right. \Rightarrow \dfrac{{{{\cos }^2}{\varphi _1}}}{{{{\cos }^2}{\varphi _2}}} + \dfrac{{{{\cos }^2}{\varphi _3}}}{{{{\cos }^2}{\varphi _2}}} = \dfrac{9}{{16}}{\omega ^2}.\left( {\dfrac{1}{{{\omega _1}^2}} + \dfrac{1}{{{\omega _3}^2}}} \right)\\ \Rightarrow \dfrac{{{{\cos }^2}{\varphi _1}}}{{{{\cos }^2}{\varphi _2}}} + \dfrac{{{{\cos }^2}{\varphi _2}}}{{{{\cos }^2}{\varphi _2}}} = \dfrac{9}{{16}}{\omega _2}^2.\dfrac{2}{{{\omega _2}^2}} = \dfrac{9}{8}\,\,\left( 1 \right)\end{array}\)
Công suất tiêu thụ của mạch điện là:
\(P = \dfrac{{{U^2}{{\cos }^2}\varphi }}{R} \Rightarrow P \sim {\cos ^2}\varphi \)
Từ (1) ta có: \(\dfrac{{{P_1}}}{{{P_2}}} + \dfrac{{{P_3}}}{{{P_2}}} = \dfrac{9}{8} \Rightarrow \dfrac{{{P_1} + {P_3}}}{9} = \dfrac{{{P_2}}}{8}\)
Hướng dẫn giải:
Sử dụng kĩ năng đọc đồ thị
Điện áp ULmax khi tần số có giá trị ω2
Hai tần số ω1, ω3 cho cùng giá trị điện áp \({U_L}:\dfrac{1}{{{\omega _1}^2}} + \dfrac{1}{{{\omega _3}^2}} = \dfrac{2}{{{\omega _2}^2}}\)
Độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện: \(\cos \varphi = \dfrac{R}{{\sqrt {{R^2} + {{\left( {{Z_L} - {Z_C}} \right)}^2}} }}\)
Điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn dây: \({U_L} = \dfrac{{U.{Z_L}}}{{\sqrt {{R^2} + {{\left( {{Z_L} - {Z_C}} \right)}^2}} }}\)
Công suất tiêu thụ: \(P = \dfrac{{{U^2}{{\cos }^2}\varphi }}{R}\)