Môn Lý - Lớp 12
50 bài tập Công suất tiêu thụ của mạch điện xoay chiều. Hệ số công suất mức độ vận dụng cao
Câu hỏi
Đặt điện áp xoay chiều có tần số không đổi vào hai đầu đoạn mạch AB gồm điện trở thuần R, tụ điện C và cuộn cảm thuần L (L thay đổi được). Khi L = L0 thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn cảm đạt cực đại và bằng \({{\text{U}}_{\text{Lmax}}}\). Khi L = L1 hoặc L = L2 thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn cảm có giá trị như nhau và bằng UL. Biết rằng UL/ULmax = k. Tổng hệ số công suất của mạch AB khi L = L1 và L = L2 là n.k. Hệ số công suất của mạch AB khi L = L0 có giá trị bằng ?
- A \(\frac{\text{n}}{\sqrt{2}}\)
- B \(\text{n}\sqrt{\text{2}}\)
- C \(\frac{\text{n}}{\text{2}}\)
- D \(\text{n}\)
Phương pháp giải:
Dùng phương pháp đại số: Xác định công thức tính \(\text{cos }{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{\text{0}}}\),\(\text{cos }{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{\text{1}}}\)và \(\text{cos }{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{2}}\)từ mối quan hệ giữa UL và ULmax. Sau đó sử dụng dữ kiện còn lại tính \(\text{cos }{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{\text{0}}}\).
Lời giải chi tiết:
Khi L = L0 thì ULmax nên ta có:
\({{\text{Z}}_{\text{L0}}}\text{ = }\frac{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}{{{\text{Z}}_{\text{C}}}}\) và \(\text{cos }{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{\text{0}}}\text{ = }\frac{\text{R}}{{{\text{Z}}_{\text{0}}}}\text{ = }\frac{\text{R}}{\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + }\frac{{{\text{R}}^{\text{4}}}}{\text{Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}}}=\frac{{{\text{Z}}_{\text{C}}}}{\sqrt{\text{Z}_{\text{C}}^{\text{2}}\text{ + }{{\text{R}}^{\text{2}}}}}=\frac{\sqrt{\text{Z}_{\text{C}}^{\text{2}}\text{ + }{{\text{R}}^{\text{2}}}}}{{{\text{Z}}_{\text{L0}}}}\)
Khi L = L1 hoặc L = L2 thì điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn cảm có giá trị như nhau và bằng UL:
\(\frac{\text{U}{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}{{{\text{Z}}_{\text{1}}}}\text{ = }\frac{\text{U}{{\text{Z}}_{\text{L2}}}}{{{\text{Z}}_{\text{2}}}}\Leftrightarrow \frac{{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}{\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{+}{{\left( {{\text{Z}}_{\text{L1}}}-{{\text{Z}}_{\text{C}}} \right)}^{\text{2}}}}}\text{=}\frac{{{\text{Z}}_{\text{L2}}}}{\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{+}{{\left( {{\text{Z}}_{\text{L2}}}-{{\text{Z}}_{\text{C}}} \right)}^{\text{2}}}}}\Leftrightarrow \frac{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{+}{{\left( {{\text{Z}}_{\text{L1}}}-{{\text{Z}}_{\text{C}}} \right)}^{\text{2}}}}{\text{Z}_{\text{L1}}^{\text{2}}}=\frac{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{+}{{\left( {{\text{Z}}_{\text{L2}}}-{{\text{Z}}_{\text{C}}} \right)}^{\text{2}}}}{\text{Z}_{\text{L2}}^{\text{2}}}\)
\(\Leftrightarrow \frac{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}{\text{Z}_{\text{L1}}^{\text{2}}}-\frac{\text{2}{{\text{Z}}_{\text{C}}}}{{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}=\frac{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}{\text{Z}_{\text{L2}}^{\text{2}}}-\frac{\text{2}{{\text{Z}}_{\text{C}}}}{{{\text{Z}}_{\text{L2}}}}\Leftrightarrow \left( {{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}} \right)\left( \frac{1}{\text{Z}_{\text{L1}}^{\text{2}}}-\frac{1}{\text{Z}_{\text{L2}}^{\text{2}}} \right)=2{{\text{Z}}_{\text{C}}}\left( \frac{1}{{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}-\frac{1}{{{\text{Z}}_{\text{L2}}}} \right)\)
\(\Leftrightarrow \frac{1}{{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}+\frac{1}{{{\text{Z}}_{\text{L2}}}}=2\frac{{{\text{Z}}_{\text{C}}}}{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}\Leftrightarrow \frac{1}{{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}+\frac{1}{{{\text{Z}}_{\text{L2}}}}=\frac{2}{{{\text{Z}}_{\text{L0}}}}\)
Theo đề bài ta có:
\(\frac{{{\text{U}}_{\text{L}}}}{{{\text{U}}_{\text{Lmax}}}}\text{ = }\frac{\text{U}\text{.}{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}{\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{+}{{\left( {{\text{Z}}_{\text{L1}}}-{{\text{Z}}_{\text{C}}} \right)}^{\text{2}}}}}.\frac{\text{R}}{\text{U}\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}}=\frac{\text{R}}{{{\text{Z}}_{\text{1}}}}\text{.}\frac{{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}{\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}}=\text{cos }{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{\text{1}}}.\frac{{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}{\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}}\)
\(\Rightarrow \text{cos }{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{\text{1}}}\text{.}\frac{{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}{\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}}\text{ = k}\Rightarrow \text{cos }{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{\text{1}}}=\frac{\text{k}\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}}{{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}\)
Tương tự ta có: \(\text{cos }{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{2}}=\frac{\text{k}\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}}{{{\text{Z}}_{\text{L2}}}}\)
Mặt khác: \(\text{cos}{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{\text{1}}}\text{ + cos}{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{2}}\text{ = nk}\Leftrightarrow \frac{\text{k}\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}}{{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}+\frac{\text{k}\sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}}{{{\text{Z}}_{\text{L2}}}}=\text{nk}\Leftrightarrow \sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}\left( \frac{1}{{{\text{Z}}_{\text{L1}}}}+\frac{1}{{{\text{Z}}_{\text{L2}}}} \right)=\text{n}\)
\(\Leftrightarrow \sqrt{{{\text{R}}^{\text{2}}}\text{ + Z}_{\text{C}}^{\text{2}}}.\frac{2}{{{\text{Z}}_{\text{L0}}}}=\text{n}\Leftrightarrow 2\text{cos }{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{\text{0}}}=\text{n}\Leftrightarrow \text{cos }{{\text{ }\!\!\varphi\!\!\text{ }}_{\text{0}}}=\frac{\text{n}}{\text{2}}\)
Chọn C