Dòng điện xoay chiều (AC) là một phần không thể thiếu trong chương trình Vật lý lớp 12. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn toàn diện về dòng điện xoay chiều, từ định nghĩa đến các ứng dụng thực tế.
1. Tạo Ra Dòng Điện Xoay Chiều
Dòng điện xoay chiều thường được tạo ra bằng cách cho một khung dây dẫn có diện tích S, gồm N vòng dây, quay đều với vận tốc góc ω xung quanh một trục đối xứng (x’x) trong một từ trường đều có vectơ cảm ứng từ (vec B bot ) với trục quay.
Mô hình khung dây quay trong từ trường tạo ra dòng điện xoay chiều.
2. Từ Thông và Suất Điện Động Xoay Chiều
Từ Thông:
Từ thông gửi qua khung dây được biểu diễn bằng công thức:
(Phi = NBScos(omega t + varphi ){rm{ }}Wb)
Trong đó:
- N: Số vòng dây.
- B: Cảm ứng từ (Tesla).
- S: Diện tích khung dây (m²).
- ω: Vận tốc góc (rad/s).
- t: Thời gian (s).
- (varphi): Pha ban đầu.
Giá trị cực đại của từ thông là ({Phi _0} = NB{rm{S}})
Suất Điện Động Xoay Chiều:
Theo định luật cảm ứng điện từ, suất điện động cảm ứng trong khung dây là:
(e{rm{ }} = -Phi ‘ = omega NBSsin(omega t + varphi ))
Đặt ({E_0} = omega NBS = omega {Phi _0}), ta có:
(e = {E_0}sin(omega t + varphi ) = {E_0}cos(omega t + varphi – dfrac{pi }{2}))
Vậy suất điện động trong khung dây biến thiên điều hòa, chậm pha (dfrac{pi }{2}) so với từ thông. Nếu mạch ngoài kín, dòng điện và điện áp cũng biến thiên điều hòa: (u = U_0cos(omega t + varphi_u) V).
3. Định Nghĩa và Biểu Thức Của Dòng Điện Xoay Chiều
Định nghĩa: Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến đổi điều hòa theo thời gian, thay đổi cả về cường độ và chiều.
Biểu thức:
(i = {I_0}cos (omega t + {phi _i})A)
Trong đó:
- i: Cường độ dòng điện tức thời (A).
- (I_0): Cường độ dòng điện cực đại (A).
- (omega): Tần số góc (rad/s).
- (t): Thời gian (s).
- (varphi_i): Pha ban đầu.
- ((omega t{rm{ }} + {varphi _i})): Pha tại thời điểm t.
Chu kỳ và Tần số:
(left{ begin{array}{l}T = dfrac{{2pi }}{omega } = dfrac{1}{f}(s)\f = dfrac{1}{T} = dfrac{omega }{{2pi }}(Hz)end{array} right.)
4. Độ Lệch Pha Giữa Điện Áp và Dòng Điện
Độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong mạch xoay chiều là một khái niệm quan trọng, ảnh hưởng đến tính chất của mạch.
Đặt (varphi = {varphi _u}-{varphi _i}), là độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện.
- Nếu (varphi > {rm{ }}0): Điện áp nhanh pha hơn dòng điện (mạch có tính cảm kháng).
- Nếu (varphi < {rm{ }}0): Điện áp chậm pha hơn dòng điện (mạch có tính dung kháng).
- Nếu (varphi = 0): Điện áp và dòng điện cùng pha (mạch chỉ có điện trở).
5. Giá Trị Hiệu Dụng
Các giá trị hiệu dụng được sử dụng để tính toán công suất và năng lượng tiêu thụ trong mạch xoay chiều.
(I{rm{ }} = dfrac{{{I_0}}}{{sqrt 2 }}), (U{rm{ }} = dfrac{{{U_0}}}{{sqrt 2 }}), (E{rm{ }} = dfrac{{{E_0}}}{{sqrt 2 }})
Công suất và Nhiệt lượng:
Nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở R trong thời gian t:
(Q = P.t = dfrac{{I_0^2}}{2}Rt)
Công suất tỏa nhiệt trên R:
(P = {I^2}R)
