Trả lời nhanh
Số đo của vôn kế xoay chiều chỉ giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều, chứ không phải giá trị tức thời. Lý do: điện áp tức thời biến thiên rất nhanh theo thời gian nên kim không thể bám theo; còn giá trị hiệu dụng U = U0/√2 phản ánh tác dụng nhiệt trung bình, là đại lượng ổn định để đọc.
Giải thích vì sao vôn kế chỉ giá trị hiệu dụng
Điện áp xoay chiều có dạng u = U0cos(ωt + φ). Với lưới điện 50 Hz, giá trị u đổi liên tục 50 chu kì mỗi giây, nên không có kim hay màn hình nào hiển thị kịp từng giá trị tức thời.
Vôn kế xoay chiều được chế tạo và chia độ theo tác dụng của dòng điện (chẳng hạn tác dụng nhiệt, tác dụng từ) tỉ lệ với giá trị trung bình của u2. Đại lượng rút ra từ đó chính là giá trị hiệu dụng:
- U = U0/√2 ≈ 0,707U0
- I = I0/√2
Giá trị hiệu dụng được định nghĩa là giá trị của dòng điện không đổi mà khi chạy qua cùng một điện trở, trong cùng thời gian, toả ra nhiệt lượng bằng nhau. Vì thế dùng U hiệu dụng, ta tính công suất, nhiệt lượng cho mạch xoay chiều giống như mạch một chiều.
Loại trừ từng giá trị còn lại
| Giá trị | Vôn kế có chỉ không? | Lý do |
|---|---|---|
| Tức thời u | Không | Thay đổi từng khoảnh khắc, kim không theo kịp. |
| Cực đại U0 | Không | U0 = U√2, chỉ là biên độ; phải tính ngược từ số chỉ. |
| Trung bình trong một chu kì | Không | Với điện áp hình sin, trung bình một chu kì bằng 0 (nửa chu kì dương và âm triệt tiêu nhau). |
| Hiệu dụng U | Có | Gắn với tác dụng nhiệt, ổn định, dễ đo. |
Vậy phát biểu “vôn kế xoay chiều chỉ giá trị tức thời của điện áp xoay chiều” là sai; phát biểu đúng là “chỉ giá trị hiệu dụng”.
Mẹo nhớ
Những số ghi trên thiết bị điện đều là hiệu dụng: ổ điện “220 V”, bóng đèn “220 V – 60 W”, cầu dao, ampe kế xoay chiều… Cứ thấy “đo” hay “ghi trên thiết bị” thì nghĩ ngay đến hiệu dụng. Muốn có biên độ thì nhân thêm √2.
Ví dụ minh hoạ
Ví dụ 1. Điện áp ở ổ cắm gia đình có biểu thức u = 220√2cos(100πt) V. Vôn kế xoay chiều mắc vào ổ cắm chỉ bao nhiêu?
Giải: U0 = 220√2 V nên U = U0/√2 = 220 V. Vôn kế chỉ 220 V, trong khi điện áp cực đại khoảng 311 V.
Ví dụ 2. Đặt điện áp u = 120cos(100πt + π/3) V vào hai đầu một đoạn mạch. Số chỉ vôn kế là bao nhiêu?
Giải: U0 = 120 V, U = 120/√2 = 60√2 ≈ 84,9 V. Pha ban đầu π/3 không ảnh hưởng đến số chỉ.
Lỗi sai thường gặp
- Lấy hệ số trước cos làm số chỉ vôn kế (quên chia √2).
- Cho rằng trung bình điện áp xoay chiều bằng 0 nên vôn kế chỉ 0.
- Nhầm vôn kế xoay chiều với vôn kế một chiều: loại một chiều khi mắc vào mạch xoay chiều không cho số chỉ đúng.
Bài luyện tập
- Vôn kế xoay chiều mắc vào hai đầu một đoạn mạch chỉ 100 V. Tính điện áp cực đại giữa hai đầu đoạn mạch.
Đáp án: U0 = 100√2 ≈ 141 V. - Điện áp u = 50√2cos(120πt) V. Vôn kế chỉ bao nhiêu và điện áp biến thiên với tần số bao nhiêu?
Đáp án: U = 50 V; f = 120π/(2π) = 60 Hz. - Một vôn kế xoay chiều chỉ 12 V. Giá trị tức thời của điện áp có thể lớn nhất là bao nhiêu?
Đáp án: U0 = 12√2 ≈ 17 V.
Câu hỏi thường gặp
Vôn kế xoay chiều đo giá trị gì của điện áp?
Vôn kế xoay chiều đo giá trị hiệu dụng của điện áp, tức U = U0/√2 với điện áp hình sin.
Vì sao vôn kế không chỉ giá trị tức thời?
Vì giá trị tức thời biến đổi theo thời gian rất nhanh (50 lần chu kì mỗi giây với điện lưới), kim hoặc màn hình không thể hiển thị kịp từng giá trị.
Vì sao không dùng giá trị trung bình để đo?
Trung bình của điện áp hình sin trong một chu kì bằng 0 nên không cho thông tin về độ lớn; giá trị hiệu dụng mới đặc trưng cho tác dụng nhiệt.
Biết số chỉ vôn kế, tính điện áp cực đại thế nào?
Lấy số chỉ nhân với √2: U0 = U√2. Ví dụ vôn kế chỉ 220 V thì U0 ≈ 311 V.