Giải bài 12 vật lí 12: Đại cương về dòng điện xoay chiều

A. Lý thuyết

I. Các khái niệm cơ bản về dòng điện xoay chiều

Dòng điện xoay chiều: là dòng điện biến thiên điều hòa theo thời gian.

$i = I_{0}\cos (wt + \varphi _{i})$

Trong đó: i (A): giá trị cường độ dòng điện tại thời điểm t (cường độ dòng điện tức thời).

$I_{0}$ (A): Giá trị cực đại của cường độ dòng điện.

w (rad/s): tần số góc.

$T = \frac{2\pi }{w}$ (s): Chu kì.

$f = \frac{w}{2\pi } = \frac{1}{T}$ (Hz): Tần số.

$\alpha = wt + \varphi $: pha dao động của i

$\varphi $: Pha ban đầu.

Điện áp xoay chiều: điện áp biến thiên điều hòa theo thời gian.

$u = U_{0}\cos (wt + \varphi _{u})$.

Suất điện động xoay chiều: là suất điện động biến thiên điều hòa theo thời gian.

$e = E_{0}\cos (wt + \varphi _{e})$.

II. Cách tạo ra dòng điện xoay chiều

Nguyên tắc: dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.

Cho một từ thông qua một khung dây biến thiên điều hòa. Giả sử $\Phi  = NBS.\cos (wt + \varphi ) = \Phi _{0}.\cos (wt + \varphi )$

Khi đó trong khung dây xuất hiện suất điện động cảm ứng $e  = - \Phi {}' = w.\Phi _{0}\sin (wt + \varphi )$

$\Rightarrow $ $e  = E _{0}\sin (wt + \varphi )$.

Kết luận: Khi từ thông đi qua khung dây dẫn biến thiên điều hòa thì trong khung dây dẫn xuất hiện  suất điện động xoay chiều. Nối hai đầu khung dây với mạch ngoài thì trong mạch ngoài có dòng điện xoay chiều chạy qua.

Cách 1: Cho khung dây quay đều trong một từ truowgf đều quanh một trục vuông góc với các đường sức từ.

Cách 2: Cho một nam châm quay đều cạnh một khung dây dẫn.

III. Các giá trị hiệu dụng

Công suất tỏa nhiệt tức thời

Cho một dòng điện $i = I_{0}\cos (wt + \varphi _{i})$ chạy qua một điện trở R

Tại một thời điểm xác định, dòng điện xoay chiều coi là dong điện một chiều.

Công suất tỏa nhiệt tức thời là:

$p = R.i^{2} = R.I^{2}_{0}\cos ^{2} wt$ = $\frac{I^{2}_{0}.R}{2}$ + $\frac{I^{2}_{0}.R}{2}.\cos (2wt + \varphi )$.

Giá trị trung bình của p trong một chu kì $P = \frac{I^{2}_{0}.R}{2}$.

Cường độ dòng điện hiệu dụng: là đại lượng có giá trị bằng cường độ của một dòng điện không đổi mà khi cho hai dòng này cùng qua một điện trở R thì công suất tỏa nhiệt của chúng bằng nhau.

$I = \frac{I_{0}}{\sqrt{2}}$.

Chú ý: 

Chỉ số của ampe kế xoay chiều cho biết giá trị hiệu dụng

Tương tự, ta có hiệu điện thế hiệu dụng ($U = \frac{U_{0}}{\sqrt{2}}$); suất điện động hiệu dụng ($E = \frac{E_{0}}{\sqrt{2}}$);

Khi yêu cầu tính cường độ dòng điện trong mạch, ta tính giá trị hiệu dụng của nó.

Tất cả các đại lượng điện và từ biến thiên điều hòa, để đặc trưng cho mức độ mạnh yếu của chúng ta căn cứ vào các giá trị hiệu dụng.

Các biểu thức của cường độ dòng điện, hiệu điện thế và suất điện động viết theo giá trị hiệu dụng:

• Cường độ dòng điện: $i = I\sqrt{2}.\cos (wt + \varphi _{i})$ (A)
• Hiệu điện thế: $u = U\sqrt{2}.\cos (wt + \varphi _{u})$ (V).
• Suất điện động: $e = E\sqrt{2}.\cos (wt + \varphi _{e})$.

Trong đó: I, U, E lần lượt là các giá trị hiệu dụng của cường độ dòng điện, hiệu điện thế, suất điện động.