Dòng điện xoay chiều là một trong những nội dung bài học quan trọng trong chương trình Vật lý. Đây cũng là nội dung có tính ứng dụng cao trong thực tiễn cuộc sống nên hôm nay chúng tôi muốn giới thiệu với các em nội dung quan trọng về dòng điện xoay chiều. Hi vọng bài viết sẽ cung cấp cho độc giả những thông tin hữu ích nhất.
1. Dòng điện xoay chiều là gì?
Dòng điện xoay chiều còn được gọi là Dòng điện xoay chiều. Đây là dòng điện biến thiên về độ lớn và chiều theo thời gian, sự biến đổi này thường có tính chất tuần hoàn trong một khoảng thời gian nhất định. Dòng điện xoay chiều được tạo ra bằng cách biến đổi dòng điện một chiều hoặc từ máy phát điện xoay chiều. Các thiết bị điện quen thuộc với chúng ta thường sử dụng nguồn điện xoay chiều: điều hòa, máy giặt, tủ lạnh…
2. Làm thế nào để tạo ra dòng điện xoay chiều?
Bạn có thể làm theo 2 cách để tạo ra dòng điện xoay chiều:
Cách 1: Đặt một cuộn dây kín và để nam châm quay xung quanh.
Cách 2: Cho cuộn dây kín quay quanh từ trường của nam châm.
3. Các đại lượng cần thiết của dòng điện xoay chiều:
3.1. Công thức và cách tính dòng điện xoay chiều:
Công suất của dòng điện xoay chiều phụ thuộc vào ba đại lượng: cường độ dòng điện, hiệu điện thế và độ lệch pha của cường độ so với hiệu điện thế.
Công suất dòng điện xoay chiều được tính như sau:
P = UIcosα
Trong đó:
P: biểu thị công suất của dòng điện xoay chiều (W)
U: là điện áp (V)
I: là dòng điện (A)
α: là độ lệch pha giữa độ lớn cường độ dòng điện và hiệu điện thế
3.2. Cách tính chu kỳ và tần suất:
Chu kì của dòng điện xoay chiều: được kí hiệu là T và được đo bằng giây (s), là khoảng thời gian để dòng điện xoay chiều quay trở lại vị trí ban đầu.
Tần số xoay chiều: Kí hiệu là F và có đơn vị là Hz. Đại lượng này biểu thị số lần lặp lại trạng thái cũ của dòng điện xoay chiều trong một giây.
Công thức tính tần suất như sau:
F=1/T
Trong đó F là tần số, T là khoảng thời gian
4. Tác dụng của dòng điện xoay chiều:
4.1. Hiệu ứng nhiệt:
Tác dụng nhiệt là một trong những tác dụng đầu tiên phải kể đến của dòng điện xoay chiều. Ta có thể lấy ví dụ về bóng đèn dây tóc để dễ hình dung. Chúng ta sẽ cảm nhận được sức nóng từ bóng đèn khi nó hoạt động. Đây là tác dụng nhiệt, còn phải kể đến một số sản phẩm tác dụng nhiệt khác rất có ích cho đời sống như bàn là, máy sưởi điện, v.v.
4.2. Hiệu ứng quang học:
Điều này được thể hiện rõ trong tác dụng quang điện của dòng điện xoay chiều, đó là các dụng cụ phát quang như: đèn bút thử điện, dây tóc bóng đèn, đèn bút thử điện, v.v.
4.3. Hiệu ứng từ:
Vấn đề này sẽ được giải thích khi chúng ta thử làm một thí nghiệm đơn giản, đó là đưa một chiếc đinh sắt lại gần cuộn dây. Nếu dây dẫn hút đinh sắt vào, chúng ta đã thấy hiệu ứng từ!
5. Sự khác biệt giữa dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều:
Dòng điện một chiều là dòng điện không biến đổi theo thời gian và có hướng cố định. Dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều cũng có những ứng dụng và biểu hiện khác nhau rất dễ phân biệt như:
Máy phát điện và máy phát điện tạo ra dòng điện xoay chiều mà chúng ta đang sống hàng ngày, bởi vì dòng điện này rất dễ truyền qua khoảng cách xa. Điều này giúp các vùng nông thôn ở xa nhà máy vẫn có điện để sử dụng. Khác với dòng điện xoay chiều, dòng điện một chiều được tạo ra từ: ắc quy, năng lượng mặt trời… nên thường không thể truyền tải điện năng đi xa vì có thể hao tổn nhiều năng lượng.
Dòng điện một chiều có tần số trực tiếp bằng không nên nó chỉ có thể chảy theo một hướng nhất định. Ngược lại, máy phát điện xoay chiều thường có tần số 50Hz và 60Hz nên có thể đổi chiều.
Một điểm dễ phân biệt hơn là sơ đồ mạch điện, hầu hết các dạng sóng biểu diễn dòng điện một chiều là một đường thẳng. Trong khi đó, điện xoay chiều được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau như sin, tam giác, vuông, hình thang.
6. Bài tập áp dụng:
6.1. Dạng 1: Xác định từ thông, công suất điện trường:
Áp dụng các công thức:
Thông lượng: Φ = NBScos(ωt + φ) = Φocos(ωt + φ)(Wb);
Suất điện động: e = Eocos(ωt + φo). Trong đó Eo = NBωS
Chu kỳ và tần số có quan hệ với nhau bởi: = 2π/T = 2πf = 2πn trong đó n là số vòng quay trong 1 s
Suất điện động do dòng điện xoay chiều do máy phát điện tạo ra có biểu thức như trên.
Ví dụ:
Ví dụ 1: Một khung dây dẫn phẳng có diện tích S = 50 cm2có N = 100 vòng dây, quay đều với vận tốc 50 vòng/phút quanh một trục vuông góc với các đường sức của một từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,1 T. Chọn gốc thời gian t = 0 là khi vectơ pháp tuyến n của diện tích S của khung dây có phương trùng với vectơ cảm ứng từ B và chiều dương là chiều quay của khung dây.
a) Viết biểu thức xác định từ thông qua khung dây.
b) Viết biểu thức xác định suất điện động e xuất hiện trong khung dây.
c) Vẽ đồ thị biểu diễn sự thay đổi của e theo thời gian.
Dạy:
a) Khung dây dẫn quay với tốc độ góc là:
= 50,2π = 100π rad/s
Tại thời điểm ban đầu t = 0, vectơ pháp tuyến n diện tích S của khung dây có hướng trùng với hướng của vectơ cảm ứng từ B của từ trường. Vào thời điểm t, pháp tuyến n của khung dây đã quay một góc bằng ωt . Bây giờ từ thông qua wireframe là:
= NBS cos(ωt)
Do đó, từ thông qua khung dây biến thiên điều hòa theo thời gian với tần số góc và với giá trị (biên độ) cực đại là Φ.o = NBS.
Thay N = 100, B = 0,1 T, S = 50 cm2 = 50. 10-4 tôi2 và ω = 100π rad/s, ta được biểu thức của từ thông qua wireframe là: Φ = 0.05cos(100πt)(Wb)
b) Từ thông xuyên qua khung dây biến thiên điều hòa theo thời gian, theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, trong khung xuất hiện suất điện động cảm ứng.
Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây được xác định bằng định luật Lentz:
Như vậy suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây biến thiên điều hòa theo thời gian với tần số góc và có giá trị (biên độ) cực đại là E .o = ωNBS.
Thay N = 100, B = 0,1 T, S = 50 cm2 = 50. 10-4 tôi2 và ω = 100π rad/s ta được biểu thức xác định suất điện động xuất hiện trong khung dây là:
Ví dụ 2: Một khung dây hình chữ nhật có 1500 vòng, diện tích mỗi vòng là 100 cm2 , quay quanh trục đối xứng với tốc độ góc 120 vòng/phút trong một từ trường đều có cảm ứng từ 0,4 T. Trục quay vuông góc với các đường sức từ. Chọn gốc thời gian là khi vectơ định tuyến của mặt phẳng khung dây cùng hướng với vectơ cảm ứng từ. Viết biểu thức suất điện động cảm ứng tức thời trong khung.
Dạy:
Ta có: Φ = NBS = 6 (Wb); = 2πn/60 = 4π (rad/s)
=ocos(B, n) =ocos(ωt + )
Tại thời điểm t = 0 thì (B, n) = 0 → = 0
6.2. Dạng 2: Xác định các đại lượng đặc trưng của dòng điện xoay chiều:
Phương trình tổng quát của dòng điện xoay chiều: i = Iocos(ωt + )
i: giá trị cường độ dòng điện tại thời điểm t, gọi là giá trị tức thời của i (tức cường độ dòng điện).
TÔIo > 0: giá trị cực đại của i (cường độ cực đại).
ω > 0: tần số góc.
f: tần số của i. T: kỳ thứ i.
(ωt + φ): pha của i.
φ: pha ban đầu (tại thời điểm t = 0).
Tại thời điểm t dòng điện tăng tức là i’ > 0 và ngược lại.
Giá trị hiệu dụng: Ngoài ra, đối với dòng điện xoay chiều, các đại lượng như hiệu điện thế, suất điện động, cường độ điện trường,… cũng là hàm sin hoặc cosin của thời gian, với các đại lượng này.
Nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở R trong thời gian t nếu có dòng điện xoay chiều i
