Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
- I. GIỚI THIỆU VỀ TỔNG TRỞ
- 1. Tổng trở là gì?
- 2. Thành phần của tổng trở
- II. CÔNG THỨC TỔNG TRỞ MẠCH RLC NỐI TIẾP
- 1. Công thức tổng trở tổng quát
- 2. Giải thích công thức
- 3. Sơ đồ vectơ (Giản đồ Fresnel)
- 4. Ví dụ minh họa
- III. CÁC TRƯỜNG HỢP ĐẶC BIỆT
- 1. Mạch chỉ có điện trở thuần (R)
- 2. Mạch RL (có R và L, không có C)
- 3. Mạch RC (có R và C, không có L)
- 4. Mạch LC (chỉ có L và C, không có R)
- 5. Điều kiện cộng hưởng ($Z_L = Z_C$)
- IV. ĐỊNH LUẬT OHM CHO MẠCH XOAY CHIỀU
- 1. Định luật Ohm tổng quát
- 2. Ví dụ áp dụng định luật Ohm
- 3. Hiệu điện thế trên từng phần tử
- V. ĐỘ LỆCH PHA
- 1. Công thức độ lệch pha
- 2. Ý nghĩa độ lệch pha
- 3. Hệ số công suất
- VI. BẢNG CÔNG THỨC TỔNG HỢP
- Công thức tổng trở theo từng loại mạch
- Định luật Ohm và công suất
- Điều kiện cộng hưởng và đặc điểm
- VII. MẸO VÀ LƯU Ý
- 1. Mẹo nhớ công thức
- 2. Các sai lầm thường gặp
- 3. Kiểm tra nhanh kết quả
- VIII. BÀI TẬP MẪU
- IX. KẾT LUẬN
- Lời khuyên học tập
I. GIỚI THIỆU VỀ TỔNG TRỞ
1. Tổng trở là gì?
Định nghĩa: Tổng trở (ký hiệu là Z) là đại lượng đặc trưng cho sự cản trở dòng điện xoay chiều của toàn bộ mạch điện.
Ký hiệu: Z (từ tiếng Anh: Impedance)
Đơn vị: Ω (Ohm) – giống như điện trở thuần
Vai trò: Trong mạch điện xoay chiều (AC), tổng trở đóng vai trò tương tự như điện trở tổng trong mạch điện một chiều (DC). Tuy nhiên, tổng trở phức tạp hơn vì phải tính đến cả độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện.
Đặc điểm quan trọng:
- Tổng trở không phải là tổng đại số của các thành phần
- Phải tính theo quy tắc cộng vectơ
- Phụ thuộc vào tần số của dòng điện xoay chiều
2. Thành phần của tổng trở
Trong mạch điện xoay chiều, tổng trở được tạo thành từ ba thành phần cơ bản:
a) Điện trở thuần (R):
- Ký hiệu: R
- Đơn vị: Ω (Ohm)
- Đặc điểm: Không phụ thuộc tần số, gây ra tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt
- Điện áp và dòng điện cùng pha
b) Cảm kháng ($Z_L$ hoặc $X_L$):
- Do cuộn cảm (cuộn dây) tạo ra
- Công thức: $Z_L = 2\pi fL = \omega L$
- Trong đó:
- $f$: tần số (Hz)
- $L$: độ tự cảm (H – Henry)
- $\omega = 2\pi f$: tần số góc (rad/s)
- Đặc điểm: Tăng khi tần số tăng
c) Dung kháng ($Z_C$ hoặc $X_C$):
- Do tụ điện tạo ra
- Công thức: $Z_C = \frac{1}{2\pi fC} = \frac{1}{\omega C}$
- Trong đó:
- $f$: tần số (Hz)
- $C$: điện dung (F – Farad)
- Đặc điểm: Giảm khi tần số tăng
Mối quan hệ:
- $Z_L$ và $Z_C$ ngược pha nhau (chênh lệch 180°)
- R vuông góc với cả $Z_L$ và $Z_C$ trên giản đồ vectơ
- Do đó phải cộng theo quy tắc vectơ, không phải cộng số học
II. CÔNG THỨC TỔNG TRỞ MẠCH RLC NỐI TIẾP
1. Công thức tổng trở tổng quát
📌 Công thức cơ bản – QUAN TRỌNG NHẤT:
$$\boxed{Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2}}$$
Công thức khai triển đầy đủ:
$$Z = \sqrt{R^2 + \left(2\pi fL – \frac{1}{2\pi fC}\right)^2}$$
Công thức sử dụng tần số góc:
$$Z = \sqrt{R^2 + \left(\omega L – \frac{1}{\omega C}\right)^2}$$
Các thành phần:
- $Z$: tổng trở của mạch (Ω)
- $R$: điện trở thuần (Ω)
- $Z_L = 2\pi fL = \omega L$: cảm kháng (Ω)
- $Z_C = \frac{1}{2\pi fC} = \frac{1}{\omega C}$: dung kháng (Ω)
- $f$: tần số dòng điện (Hz)
- $\omega = 2\pi f$: tần số góc (rad/s)
- $L$: độ tự cảm (H)
- $C$: điện dung (F)
2. Giải thích công thức
Tại sao không phải $Z = R + Z_L + Z_C$?
Câu trả lời nằm ở độ lệch pha trong mạch điện xoay chiều:
a) Về độ lệch pha:
- Điện trở R: Điện áp $U_R$ và dòng điện $i$ cùng pha
- Cuộn cảm L: Điện áp $U_L$ sớm pha $\frac{\pi}{2}$ so với dòng điện $i$
- Tụ điện C: Điện áp $U_C$ trễ pha $\frac{\pi}{2}$ so với dòng điện $i$
b) Hệ quả:
- $U_L$ và $U_C$ ngược pha nhau (chênh lệch $\pi$ hay 180°)
- $U_R$ vuông góc với cả $U_L$ và $U_C$
- Không thể cộng trực tiếp như số học
c) Phương pháp đúng:
- Phải sử dụng phương pháp cộng vectơ
- Áp dụng định lý Pythagore cho tam giác vuông
- Thành phần ngang: $R$
- Thành phần đứng: $(Z_L – Z_C)$ (do $Z_L$ và $Z_C$ ngược chiều nên lấy hiệu)
Từ tam giác vuông: $$Z^2 = R^2 + (Z_L – Z_C)^2$$
Do đó: $$Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2}$$
3. Sơ đồ vectơ (Giản đồ Fresnel)
Biểu diễn trên mặt phẳng tọa độ:
↑
│ U_L (sớm pha 90°)
│
│ Z_L
│
O─────┼──────→ U_R (cùng pha)
│ R
│
│ Z_C
│
↓ U_C (trễ pha 90°)
Giải thích:
- Trục ngang (Ox): Điện trở R và điện áp $U_R$
- Trục đứng hướng lên: Cảm kháng $Z_L$ và điện áp $U_L$
- Trục đứng hướng xuống: Dung kháng $Z_C$ và điện áp $U_C$
- Tổng trở Z là đường chéo của hình chữ nhật
Tam giác vuông tổng trở:
- Cạnh góc vuông 1: $R$
- Cạnh góc vuông 2: $|Z_L – Z_C|$
- Cạnh huyền: $Z$
4. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Tính tổng trở cơ bản
Đề bài: Mạch RLC nối tiếp có điện trở thuần $R = 30\Omega$, cảm kháng $Z_L = 80\Omega$, dung kháng $Z_C = 40\Omega$. Tính tổng trở của mạch.
Lời giải:
Áp dụng công thức tổng trở: $$Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2}$$
Thay số: $$Z = \sqrt{30^2 + (80-40)^2}$$ $$Z = \sqrt{900 + 40^2}$$ $$Z = \sqrt{900 + 1600}$$ $$Z = \sqrt{2500} = 50\Omega$$
Kết luận: Tổng trở của mạch là 50Ω.
Ví dụ 2: Tính từ độ tự cảm và điện dung
Đề bài: Mạch RLC nối tiếp có $R = 100\Omega$, cuộn cảm có độ tự cảm $L = 0.5H$, tụ điện có điện dung $C = 50\mu F$, tần số dòng điện $f = 50Hz$. Tính tổng trở.
Lời giải:
Bước 1: Tính cảm kháng $$Z_L = 2\pi fL = 2\pi \times 50 \times 0.5$$ $$Z_L = 50\pi \approx 157.08\Omega$$
Bước 2: Đổi đơn vị điện dung $$C = 50\mu F = 50 \times 10^{-6}F = 5 \times 10^{-5}F$$
Bước 3: Tính dung kháng $$Z_C = \frac{1}{2\pi fC} = \frac{1}{2\pi \times 50 \times 5 \times 10^{-5}}$$ $$Z_C = \frac{1}{5\pi \times 10^{-3}} = \frac{1000}{5\pi} = \frac{200}{\pi} \approx 63.66\Omega$$
Bước 4: Tính tổng trở $$Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2}$$ $$Z = \sqrt{100^2 + (157.08 – 63.66)^2}$$ $$Z = \sqrt{10000 + 93.42^2}$$ $$Z = \sqrt{10000 + 8727.30}$$ $$Z = \sqrt{18727.30} \approx 136.85\Omega$$
Kết luận: Tổng trở của mạch khoảng 137Ω.
III. CÁC TRƯỜNG HỢP ĐẶC BIỆT
1. Mạch chỉ có điện trở thuần (R)
Công thức: $$\boxed{Z = R}$$
Điều kiện: Không có cuộn cảm và tụ điện ($L = 0$, $C = 0$)
Đặc điểm:
- Dòng điện và điện áp cùng pha
- Độ lệch pha: $\varphi = 0$
- Hệ số công suất: $\cos\varphi = 1$ (lý tưởng)
- Toàn bộ điện năng chuyển thành nhiệt năng
Ví dụ: Bóng đèn sợi đốt, bếp điện, máy sấy
2. Mạch RL (có R và L, không có C)
Công thức: $$\boxed{Z = \sqrt{R^2 + Z_L^2} = \sqrt{R^2 + (2\pi fL)^2}}$$
Điều kiện: $Z_C = 0$ (không có tụ điện)
Đặc điểm:
- Mạch có tính cảm kháng
- Điện áp sớm pha hơn dòng điện: $0 < \varphi < 90°$
- Góc lệch pha: $\tan\varphi = \frac{Z_L}{R}$
Ví dụ thực tế: Động cơ điện, máy biến áp, cuộn dây có điện trở
Ví dụ tính toán:
- Cho $R = 60\Omega$, $Z_L = 80\Omega$
- Tính: $Z = \sqrt{60^2 + 80^2} = \sqrt{3600 + 6400} = \sqrt{10000} = 100\Omega$
3. Mạch RC (có R và C, không có L)
Công thức: $$\boxed{Z = \sqrt{R^2 + Z_C^2} = \sqrt{R^2 + \left(\frac{1}{2\pi fC}\right)^2}}$$
Điều kiện: $Z_L = 0$ (không có cuộn cảm)
Đặc điểm:
- Mạch có tính dung kháng
- Điện áp trễ pha hơn dòng điện: $-90° < \varphi < 0$
- Góc lệch pha: $\tan\varphi = -\frac{Z_C}{R}$ (âm)
Ứng dụng: Mạch lọc thông cao, mạch trễ pha
Ví dụ tính toán:
- Cho $R = 30\Omega$, $Z_C = 40\Omega$
- Tính: $Z = \sqrt{30^2 + 40^2} = \sqrt{900 + 1600} = \sqrt{2500} = 50\Omega$
4. Mạch LC (chỉ có L và C, không có R)
Công thức: $$\boxed{Z = |Z_L – Z_C|}$$
Điều kiện: $R = 0$ (không có điện trở thuần)
Đặc điểm:
- Không tiêu thụ công suất thực (chỉ trao đổi năng lượng)
- Nếu $Z_L > Z_C$: mạch cảm kháng, $Z = Z_L – Z_C$
- Nếu $Z_L < Z_C$: mạch dung kháng, $Z = Z_C – Z_L$
- Nếu $Z_L = Z_C$: cộng hưởng, $Z = 0$ (lý thuyết)
Lưu ý: Trong thực tế, luôn có điện trở dây dẫn nên $Z \neq 0$ tuyệt đối.
5. Điều kiện cộng hưởng ($Z_L = Z_C$)
Định nghĩa: Cộng hưởng xảy ra khi cảm kháng bằng dung kháng.
Điều kiện cộng hưởng: $$\boxed{Z_L = Z_C}$$
Hay: $$2\pi fL = \frac{1}{2\pi fC}$$
Tần số cộng hưởng:
Giải phương trình trên: $$(2\pi f_0)^2 = \frac{1}{LC}$$
$$\boxed{f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}}$$
Hoặc với tần số góc: $$\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}$$
Tổng trở khi cộng hưởng: $$Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2} = \sqrt{R^2 + 0} = R$$
Kết luận: Khi cộng hưởng, tổng trở nhỏ nhất và bằng điện trở thuần R.
Đặc điểm khi cộng hưởng: ✅ Tổng trở nhỏ nhất: $Z_{min} = R$ ✅ Dòng điện cực đại: $I_{max} = \frac{U}{R}$ ✅ Điện áp và dòng điện cùng pha: $\varphi = 0$ ✅ Hệ số công suất lớn nhất: $\cos\varphi = 1$ ✅ Công suất tiêu thụ cực đại: $P_{max} = \frac{U^2}{R}$
Ứng dụng:
- Bộ chọn sóng trong radio, TV (chọn tần số mong muốn)
- Mạch lọc cộng hưởng
- Tăng hiệu suất truyền tải điện năng
IV. ĐỊNH LUẬT OHM CHO MẠCH XOAY CHIỀU
1. Định luật Ohm tổng quát
Công thức cơ bản:
$$\boxed{U = IZ}$$
Hoặc:
$$\boxed{I = \frac{U}{Z}}$$
Trong đó:
- $U$: hiệu điện thế hiệu dụng hai đầu đoạn mạch (V – Volt)
- $I$: cường độ dòng điện hiệu dụng (A – Ampe)
- $Z$: tổng trở của mạch (Ω – Ohm)
Công thức chi tiết:
$$I = \frac{U}{Z} = \frac{U}{\sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2}}$$
Ý nghĩa: Cường độ dòng điện tỉ lệ thuận với hiệu điện thế và tỉ lệ nghịch với tổng trở.
2. Ví dụ áp dụng định luật Ohm
Ví dụ: Mạch điện xoay chiều có hiệu điện thế hiệu dụng $U = 220V$ và tổng trở $Z = 110\Omega$. Tính cường độ dòng điện hiệu dụng.
Lời giải:
Áp dụng định luật Ohm: $$I = \frac{U}{Z} = \frac{220}{110} = 2A$$
Kết luận: Cường độ dòng điện hiệu dụng là 2A.
3. Hiệu điện thế trên từng phần tử
Trong mạch RLC nối tiếp, hiệu điện thế trên mỗi phần tử được tính như sau:
a) Hiệu điện thế trên điện trở: $$\boxed{U_R = IR}$$
b) Hiệu điện thế trên cuộn cảm: $$\boxed{U_L = IZ_L}$$
c) Hiệu điện thế trên tụ điện: $$\boxed{U_C = IZ_C}$$
Quan hệ giữa các hiệu điện thế:
Do có độ lệch pha, hiệu điện thế tổng không phải là tổng số học:
$$U \neq U_R + U_L + U_C$$
Mà phải tính theo công thức vectơ:
$$\boxed{U = \sqrt{U_R^2 + (U_L – U_C)^2}}$$
Lưu ý quan trọng:
- $U_L$ và $U_C$ có thể lớn hơn $U$ (hiện tượng cộng hưởng điện áp)
- Khi $U_L = U_C$, ta có $U = U_R$
V. ĐỘ LỆCH PHA
1. Công thức độ lệch pha
Công thức chính:
$$\boxed{\tan \varphi = \frac{Z_L – Z_C}{R}}$$
Các công thức liên quan:
$$\boxed{\cos \varphi = \frac{R}{Z}}$$
$$\boxed{\sin \varphi = \frac{Z_L – Z_C}{Z}}$$
Trong đó:
- $\varphi$: góc lệch pha giữa điện áp $u$ và dòng điện $i$
- $\varphi > 0$: điện áp sớm pha hơn dòng điện
- $\varphi < 0$: điện áp trễ pha hơn dòng điện
- $\varphi = 0$: điện áp và dòng điện cùng pha
2. Ý nghĩa độ lệch pha
| Trường hợp | Điều kiện | Độ lệch pha | Ý nghĩa |
|---|---|---|---|
| $Z_L > Z_C$ | Cảm kháng lớn hơn | $\varphi > 0$ | Mạch có tính cảm kháng, u sớm pha i |
| $Z_L < Z_C$ | Dung kháng lớn hơn | $\varphi < 0$ | Mạch có tính dung kháng, u trễ pha i |
| $Z_L = Z_C$ | Cộng hưởng | $\varphi = 0$ | u và i cùng pha |
Giá trị giới hạn:
- Trong mạch RLC: $-90° < \varphi < 90°$
- Mạch RL thuần: $\varphi = 90°$
- Mạch RC thuần: $\varphi = -90°$
3. Hệ số công suất
Định nghĩa: Hệ số công suất là cosine của góc lệch pha.
$$\boxed{\cos \varphi = \frac{R}{Z} = \frac{R}{\sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2}}}$$
Giá trị:
- $0 \leq \cos\varphi \leq 1$
- $\cos\varphi = 1$: mạch thuần trở hoặc cộng hưởng (tốt nhất)
- $\cos\varphi < 1$: có phần công suất phản kháng (lãng phí)
Ý nghĩa:
- Hệ số công suất cao → hiệu suất sử dụng điện tốt
- Hệ số công suất thấp → lãng phí năng lượng
Công suất tiêu thụ:
$$\boxed{P = UI\cos \varphi}$$
Hoặc:
$$P = I^2R = \frac{U^2R}{Z^2}$$
Trong công nghiệp:
- Nhà máy, xí nghiệp cần duy trì $\cos\varphi \geq 0.85$
- Nếu $\cos\varphi$ thấp, phải bù bằng tụ điện
VI. BẢNG CÔNG THỨC TỔNG HỢP
Công thức tổng trở theo từng loại mạch
| Loại mạch | Công thức tổng trở | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Chỉ có R | $Z = R$ | Cùng pha, $\varphi = 0$ |
| Mạch RL | $Z = \sqrt{R^2 + Z_L^2}$ | u sớm pha i, $\varphi > 0$ |
| Mạch RC | $Z = \sqrt{R^2 + Z_C^2}$ | u trễ pha i, $\varphi < 0$ |
| Mạch LC | $Z = |Z_L – Z_C|$ | Không tiêu thụ P |
| Mạch RLC | $Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2}$ | Công thức tổng quát |
Định luật Ohm và công suất
| Đại lượng | Công thức | Đơn vị |
|---|---|---|
| Dòng điện | $I = \frac{U}{Z}$ | A (Ampe) |
| Hiệu điện thế | $U = IZ$ | V (Volt) |
| Độ lệch pha | $\tan \varphi = \frac{Z_L – Z_C}{R}$ | rad hoặc độ |
| Hệ số công suất | $\cos \varphi = \frac{R}{Z}$ | không đơn vị |
| Công suất | $P = UI\cos \varphi = I^2R$ | W (Watt) |
Điều kiện cộng hưởng và đặc điểm
| Nội dung | Công thức/Giá trị |
|---|---|
| Điều kiện cộng hưởng | $Z_L = Z_C$ |
| Tần số cộng hưởng | $f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$ |
| Tổng trở | $Z = R$ (nhỏ nhất) |
| Dòng điện | $I = \frac{U}{R}$ (lớn nhất) |
| Độ lệch pha | $\varphi = 0$ (cùng pha) |
| Hệ số công suất | $\cos\varphi = 1$ (lý tưởng) |
VII. MẸO VÀ LƯU Ý
1. Mẹo nhớ công thức
Mẹo 1: Công thức chính
“Bình phương R cộng bình phương hiệu, rồi lấy căn”
$$Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2}$$
Cách nhớ:
- Bình phương $R$: $R^2$
- Bình phương hiệu $(Z_L – Z_C)$: $(Z_L – Z_C)^2$
- Cộng lại rồi lấy căn bậc hai
Mẹo 2: Thứ tự tính toán
Bước 1: Tính cảm kháng $$Z_L = 2\pi fL$$
Bước 2: Tính dung kháng (nhớ đổi μF → F) $$Z_C = \frac{1}{2\pi fC}$$
Bước 3: Tính hiệu $$Z_L – Z_C$$
Bước 4: Áp dụng công thức tổng trở $$Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2}$$
Mẹo 3: Nhớ trường hợp đặc biệt
- Chỉ R: $Z = R$ (đơn giản nhất)
- RL hoặc RC: Dùng định lý Pythagore đơn giản
- Cộng hưởng: $Z = R$ (nhỏ nhất)
2. Các sai lầm thường gặp
❌ SAI LẦM 1: Cộng số học
Sai: $$Z = R + Z_L + Z_C \quad \text{(SAI!)}$$
Đúng: $$Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2} \quad \text{(ĐÚNG!)}$$
Giải thích: Không thể cộng trực tiếp vì có độ lệch pha.
❌ SAI LẦM 2: Quên lấy hiệu $(Z_L – Z_C)$
Sai: $$Z = \sqrt{R^2 + Z_L^2 + Z_C^2} \quad \text{(SAI!)}$$
Đúng: $$Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2} \quad \text{(ĐÚNG!)}$$
Giải thích: $Z_L$ và $Z_C$ ngược pha nên phải trừ, không phải cộng.
❌ SAI LẦM 3: Nhầm lẫn hiệu điện thế
Sai: $$U = U_R + U_L + U_C \quad \text{(SAI!)}$$
Đúng: $$U = \sqrt{U_R^2 + (U_L – U_C)^2} \quad \text{(ĐÚNG!)}$$
❌ SAI LẦM 4: Quên đổi đơn vị
Sai: Dùng trực tiếp $C = 100\mu F$ trong công thức ❌
Đúng: Phải đổi: $$C = 100\mu F = 100 \times 10^{-6}F = 10^{-4}F$$
3. Kiểm tra nhanh kết quả
Kiểm tra 1: Tổng trở luôn dương $$Z > 0 \text{ (luôn đúng)}$$
Kiểm tra 2: Tổng trở tối thiểu $$Z \geq R \text{ (luôn đúng)}$$
- Khi cộng hưởng: $Z = R$
- Các trường hợp khác: $Z > R$
Kiểm tra 3: So sánh với thành phần $$Z \geq R \quad ; \quad Z \geq |Z_L – Z_C|$$
Kiểm tra 4: Đơn vị
- Tất cả đều có đơn vị Ω (Ohm)
- Nếu ra đơn vị khác → sai!
Kiểm tra 5: Giá trị hợp lý
- Nếu $Z$ quá lớn hoặc quá nhỏ so với R, $Z_L$, $Z_C$ → kiểm tra lại
VIII. BÀI TẬP MẪU
Bài tập 1: Tính tổng trở cơ bản
Đề bài: Mạch RLC nối tiếp có điện trở $R = 40\Omega$, cảm kháng $Z_L = 90\Omega$, dung kháng $Z_C = 60\Omega$. Tính tổng trở của mạch.
Lời giải:
Áp dụng công thức tổng trở: $$Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2}$$
Thay số: $$Z = \sqrt{40^2 + (90-60)^2}$$ $$Z = \sqrt{1600 + 30^2}$$ $$Z = \sqrt{1600 + 900}$$ $$Z = \sqrt{2500} = 50\Omega$$
Đáp số: $Z = 50\Omega$
Bài tập 2: Tính từ L, C, f
Đề bài: Mạch RLC nối tiếp có $R = 50\Omega$, $L = 0.2H$, $C = 100\mu F$, $f = 50Hz$. Tính tổng trở.
Lời giải:
Bước 1: Tính cảm kháng $$Z_L = 2\pi fL = 2\pi \times 50 \times 0.2 = 20\pi \approx 62.83\Omega$$
Bước 2: Đổi đơn vị và tính dung kháng $$C = 100\mu F = 10^{-4}F$$ $$Z_C = \frac{1}{2\pi fC} = \frac{1}{2\pi \times 50 \times 10^{-4}} = \frac{1}{\pi \times 10^{-2}} = \frac{100}{\pi} \approx 31.83\Omega$$
Bước 3: Tính tổng trở $$Z = \sqrt{50^2 + (62.83 – 31.83)^2}$$ $$Z = \sqrt{2500 + 31^2}$$ $$Z = \sqrt{2500 + 961} = \sqrt{3461} \approx 58.83\Omega$$
Đáp số: $Z \approx 58.8\Omega$
Bài tập 3: Tính dòng điện
Đề bài: Mạch điện có $U = 200V$, $R = 30\Omega$, $Z_L = 50\Omega$, $Z_C = 10\Omega$. Tính cường độ dòng điện hiệu dụng.
Lời giải:
Bước 1: Tính tổng trở $$Z = \sqrt{30^2 + (50-10)^2} = \sqrt{900 + 1600} = \sqrt{2500} = 50\Omega$$
Bước 2: Tính dòng điện $$I = \frac{U}{Z} = \frac{200}{50} = 4A$$
Đáp số: $I = 4A$
Bài tập 4: Tìm tần số cộng hưởng
Đề bài: Mạch LC có $L = 0.1H$, $C = 100\mu F$. Tìm tần số mà tại đó tổng trở nhỏ nhất.
Lời giải:
Tổng trở nhỏ nhất khi xảy ra cộng hưởng.
Công thức tần số cộng hưởng: $$f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$$
Đổi đơn vị: $$C = 100\mu F = 10^{-4}F$$
Thay số: $$f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{0.1 \times 10^{-4}}}$$ $$f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{10^{-5}}}$$ $$f_0 = \frac{1}{2\pi \times 10^{-2.5}}$$ $$f_0 = \frac{1}{2\pi \times 0.00316}$$ $$f_0 \approx \frac{500}{\pi} \approx 159.15Hz$$
Khi đó: $Z = R$ (tổng trở bằng điện trở thuần)
Đáp số: $f_0 \approx 159Hz$
Bài tập 5: Tính hệ số công suất
Đề bài: Mạch RLC có tổng trở $Z = 100\Omega$, điện trở thuần $R = 60\Omega$. Tính hệ số công suất.
Lời giải:
Áp dụng công thức: $$\cos \varphi = \frac{R}{Z} = \frac{60}{100} = 0.6$$
Đáp số: $\cos\varphi = 0.6$
Bài tập 6: Mạch RL
Đề bài: Mạch RL có $R = 80\Omega$, $Z_L = 60\Omega$. Tính tổng trở.
Lời giải:
Mạch RL (không có C, nên $Z_C = 0$): $$Z = \sqrt{R^2 + Z_L^2}$$ $$Z = \sqrt{80^2 + 60^2}$$ $$Z = \sqrt{6400 + 3600}$$ $$Z = \sqrt{10000} = 100\Omega$$
Đáp số: $Z = 100\Omega$
IX. KẾT LUẬN
Bài viết đã trình bày đầy đủ và chi tiết về công thức tính tổng trở trong mạch điện xoay chiều:
Công thức chính – QUAN TRỌNG NHẤT: $$\boxed{Z = \sqrt{R^2 + (Z_L – Z_C)^2}}$$
Các trường hợp đặc biệt:
- Mạch R: $Z = R$
- Mạch RL: $Z = \sqrt{R^2 + Z_L^2}$
- Mạch RC: $Z = \sqrt{R^2 + Z_C^2}$
- Mạch LC: $Z = |Z_L – Z_C|$
Định luật Ohm cho AC: $$I = \frac{U}{Z}$$
Điều kiện cộng hưởng:
- $Z_L = Z_C$
- Tần số: $f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$
- Tổng trở nhỏ nhất: $Z = R$
Lời khuyên học tập
📌 Học thuộc công thức tổng trở RLC – Đây là công thức quan trọng nhất
📌 Nhớ phải lấy HIỆU $(Z_L – Z_C)$, không phải tổng – Sai lầm phổ biến nhất
📌 Không cộng số học – Phải dùng công thức cộng vectơ: $Z \neq R + Z_L + Z_C$
📌 Hiểu rõ cộng hưởng – Khi $Z_L = Z_C$ thì $Z$ nhỏ nhất và bằng R
📌 Chú ý đổi đơn vị – Đặc biệt là μF → F khi tính $Z_C$
📌 Kiểm tra kết quả – Luôn nhớ $Z \geq R$
Cô Trần Thị Bình
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn Tổ Lý – Hóa – Sinh tại Edus
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Hoá Học, Bằng Thạc sĩ, Chức danh nghề nghiệp Giáo viên THPT – Hạng II, Tin học ứng dụng cơ bản, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 12+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Gia Định
