Lý thuyết Đại cương về dòng điện xoay chiều - Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 13: Đại cương về dòng điện xoay chiều

1. Dòng điện xoay chiều

Khái niệm

Xét một khung dây dẫn phẳng kín có diện tích S (gồm N vòng dây) được đặt trong một từ trường đều. Khung dây có thể quay quanh trục A cố định nằm trong mặt phẳng của khung dây. Tại thời điểm ban đầu (t = 0), khung dây được đặt vuông góc với cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$. Khi đó từ thông qua khung dây là $\Phi (t=0)=NBS\cos 0°=NBS$

Cho khung dây quay đều với tốc độ góc ω quang trục Δ. Tại thời điểm t bất kì, từ thông qua khung dây là $\Phi \left(t\right)=NBS\cos \alpha =NBS\cos \omega t$

Suất điện động cảm ứng sinh ra $e\left(t\right)=NBS\omega \cos (\omega t+{\phi }_0)=E_0\cos (\omega t+{\phi }_0)$

Chu kì, tần số của suất điện động xoay chiều được xác định bởi công thức:

$T=\frac{2\pi }{\omega };f=\frac{\omega }{2\pi }$

Khi nối hai đầu khung dây với mạch ngoài tiêu thụ điện (có điện trở R, tụ điện C hoặc cuộn dây L), những phép đo cho thấy trong mạch xuất hiện dòng điện có cường độ biến thiên điều hoà theo thời gian. Đây được gọi là dòng điện xoay chiều.

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hoà theo thời gian.

Điện áp xoay chiều và cường độ dòng điện xoay chiều

Điện áp xoay chiều giữa hai đầu một đoạn mạch là: $u=U_0\cos \left(\omega t+{\phi }_u\right)$

Cường độ dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch là: $i=I_0\cos \left(\omega t+{\phi }_{\text{i}}\right)$

- u và i tương ứng là giá trị điện áp tức thời và cường độ dòng điện tức thời tại thời điểm t;

- U₀ và I₀ tương ứng là giá trị cực đại của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều;

- ω là tần số góc của dòng điện xoay chiều, có đơn vị là rad/s;

- φ_u, φ_i lần lượt là pha ban đầu của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.

Độ lệch pha của điện áp so với cường độ dòng điện là: $\phi ={\phi }_u-{\phi }_{\text{i}}$

2. Các giá trị hiệu dụng

Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là $I=\frac{I_0}{\sqrt{2}}$

Giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều là $U=\frac{U_0}{\sqrt{2}}$

Giá trị hiệu dụng của suất điện động xoay chiều là $E=\frac{E_0}{\sqrt{2}}$

3. Ứng dụng dòng điện xoay chiều trong cuộc sống

Truyền tải điện năng đi xa

Trong quá trình truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ, dây dẫn toả nhiệt theo định luật Joule - Lenz, do đó một phần điện năng bị hao phí. Thực tế và lí thuyết đã chứng tỏ để giảm hao phí trong quá trình truyền tải một cách hiệu quả nhất thì trước khi truyền tải, điện áp cần được tăng lên. Khi đến nơi tiêu thụ, điện áp được hạ xuống để phù hợp với mục đích sử dụng. Thiết bị điều chỉnh điện áp trong quá trình truyền tải là máy biến áp.

Dùng trong sinh hoạt và sản xuất

Dòng điện xoay chiều được sử dụng trong:

- Các loại đèn thắp sáng.

- Động cơ của các thiết bị như quạt điện, máy giặt, ...

- Lò luyện kim, mỏ hàn, bàn ủi, bếp từ, bình đun nước, lò vi sóng, ...

Dòng điện xoay chiều cũng được sử dụng trong việc chế tạo các nam châm điện của cần cẩu để nâng các vật khối lượng lớn (Hình 13.6). Ngoài ra, dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng sinh lí được sử dụng trong điều trị bệnh như: châm cứu, kích tim, ...

4. Quy tắc an toàn điện

Dưới đây là một số quy tắc để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện trong gia đình:

- Lắp đặt thiết bị đóng ngắt điện đúng cách và ở vị trí phù hợp.

- Lựa chọn thiết bị điện phù hợp và chất lượng tốt.

- Không chạm vào dụng cụ sử dụng điện khi tay ướt.

- Tránh sử dụng thiết bị điện khi đang sạc.

- Không được chạm tay vào những chỗ hở của dây điện hay cầu dao, cầu chì không có nắp che khi chưa cắt nguồn điện.

- Kiểm tra hệ thống mạng điện và bảo trì thiết bị điện định kì.

Trắc nghiệm: Đại cương về dòng điện xoay chiều

PHẦN I. Câu trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn. Thí sinh trả lời từ câu 1 đến câu 7. Mỗi câu hỏi thí sinh chỉ lựa chọn một phương án.

Câu 1: Giá trị cực đại của một dòng điện xoay chiều là 10 A, giá trị hiệu dụng của nó là

A. 28 A.

B. 3,1 A.

C. 7,1 A.

D. 14 A.

Câu 2: Đặt một điện áp xoay chiều có giá trị cực đại là 200 V vào hai đầu một điện trở 50 W. Cường độ dòng điện hiệu dụng qua điện trở là

A. 2,8 A.

B. 4,0 A.

C. 5,6 A.

D. 2,0 A.

Câu 3: Một điện áp xoay chiều có giá trị cực đại là 200 V. Giá trị hiệu dụng của điện áp này là

A. 282 V.

B. 200 V.

C. 141 V.

D. 100 V.

Câu 4. Điện áp hiệu dụng thông thường ở mạng điện gia đình là 220 V, điện áp cực đại là

A. 440 V.

B. 311 V.

C. 156 V.

D. 110 V.

Câu 5: Một khung dây dẫn có diện tích 50 cm² gồm 250 vòng dây quay đều với vận tốc 3000 vòng/phút trong một từ trường đều có vectơ cảm ứng từ vuông góc với trục quay của khung dây và có độ lớn 0,02 T. Từ thông cực đại gửi qua khung là

A. 0,025 Wb.

B. 0,15 Wb.

C. 1,5 Wb.

D. 15 Wb.

Câu 6: Một cuộn dây dẹt hình chữ nhật diện tích 54 cm² có 500 vòng dây quay đều với vận tốc 50 vòng/s quanh một trục nằm trong mặt phẳng của cuộn dây, trong một từ trường đều vuông góc với trục quay có B = 0,1 T. Biên độ suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có giá trị bằng

A. 84,8 V.

B. 60 V.

C. 42,4 V.

D. 120 V.

Câu 7: Một khung dây dẫn quay đều quanh trục A trong một từ trường đều có cảm ứng từ vuông góc với trục quay của khung với tốc độ góc w = 150 vòng/phút. Từ thông cực đại qua khung dây là 10 Wb. Suất điện động cực đại trong khung dây bằng

A. 50πV.

B. $50\sqrt{2}$V.

C. $25\pi \sqrt{2}$V.

D. $25\sqrt{2}$V.

PHẦN II. Câu trắc nghiệm đúng sai. Trong mỗi ý a), b), c), d) ở mỗi câu, thí sinh chọn đúng hoặc sai

Câu hỏi: Ở một bóng đèn sợi đốt có ghi 220V - 75W. Đèn được nối vào mạng điện xoay chiều. Khi đèn sáng bình thường, trong các phát biểu sau đây, phát biểu nào là đúng, phát biểu nào là sai?

a) Cường độ dòng điện hiệu dụng qua đèn là 0,34A.

b) Số đo cường độ dòng điện của ampe kế mắc nối tiếp với đèn là 0,48A.

c) Trong một giờ, đèn tiêu thụ năng lượng điện là 75 W.h.

d) Điện trở của đèn là 458Ω.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Một công suất điện 20 kW được truyền đi bằng dây dẫn có điện trở 20 W. Tính tổn thất năng lượng điện trên đường dây khi điện áp ở đầu đường dây truyền đi là

a) 5 kV.

b) 20 kV.