Dòng điện xoay chiều là gì? Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều?

1. Dòng điện xoay chiều là gì?

Dòng điện xoay chiều hay còn gọi là Dòng điện AC. 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 cho nam châm quay xung quanh.

Cách 2: Cho cuộn dây kín quay quanh từ trường của nam châm.

3. Những đại lượng cần biết của dòng điện xoay chiều:

3.1. Công thức dòng điện xoay chiều và cách tính: 

Công suất của dòng điện xoay chiều phụ thuộc 3 đại lượng: cường độ của dòng điện, điện áp và độ lệch pha của cường độ so với điện áp.

Công suất dòng điện xoay chiều được tính như sau:

P = U.I.cosα

Trong đó:

P: biểu hiện cho công suất của dòng điện xoay chiều (W)

U: là điện áp (V)

I: là cường độ dòng điện (A)

α: chính là độ lệch pha giữa cường độ của dòng điện và điện áp

3.2. Cách tính chu kì và tần số: 

Chu kỳ của dòng điện xoay chiều: Được ký hiệu là T và được tính bằng giây (s), là khoảng thời gian mà dòng điện xoay chiều trở lại vị trí ban đầu.

Tần số điện xoay chiều: Được ký hiệu là F và có đơn vị tính là Hz. Đại lượng này thể hiện số lần lặp lại trang thái cũ của dòng điện xoay chiều trong một giây.

Công thức tính tần số như sau:

F=1/T

Với F là tần số, T là chu kỳ

4. Tác dụng của dòng điện xoay chiều: 

4.1. Tác dụng 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 hữu ích cho đời sống như bàn là, máy sưởi điện,…

4.2. Tác dụng quang: 

Điều này được thể hiện rõ trong việc tác dụng quang của dòng điện xoay chiều là các dụng cụ phát quang như: đèn bút thử điện, dây tóc bóng đèn, đèn bút thử điện,…

4.3. Tác dụng từ: 

Vấn đề này sẽ được lý giải khi chúng ta thử làm thí nghiệm đơn giản, đó là đưa một đinh sắt lại gần cuộn dây. Nếu dây hút đinh sắt vào thì chúng ta đã được chứng kiến tác dụng từ rồi đấy!

5. Điểm khác nhau 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 nhà 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 đều được sản xuất từ: ắc quy và năng lượng mặt trời… nên thường không truyền được điện năng đi xa vì có thể bị 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 các hình vẽ mạch điện, hầu hết các dạng sóng biểu diễn dòng điện một chiều đều là một đường thẳng. Trong khi đó, nguồn điện xoay chiều được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau như sin, tam giác, vuông và hình thang.

6. Bài tập vận dụng: 

6.1. Dạng 1: Xác định từ thông, suất điện: 

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 sinh ra máy phát điện có biểu thức tương tự như trên.

Ví dụ:

Ví dụ 1: Một khung dây dẫn phẳng có diện tích S = 50 cm₂, có N = 100 vòng dây, quay đều với tốc độ 50 vòng/giây 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 lúc vectơ pháp tuyến n của diện tích S của khung dây cùng chiều 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 biến đổi của e theo thời gian.

Hướng dẫn:

a) Khung dây dẫn quay đều với tốc độ góc :

ω = 50.2π = 100π rad/s

Tại thời điểm ban đầu t = 0, vectơ pháp tuyến n của diện tích S của khung dây có chiều trùng với chiều của vectơ cảm ứng từ B của từ trường. Đến thời điểm t, pháp tuyến n của khung dây đã quay được một góc bằng ωt . Lúc này từ thông qua khung dây là :

Φ = NBS cos(ωt)

Như vậy, từ thông qua khung dây biến thiên điều hoà theo thời gian với tần số góc ω và với giá trị cực đại (biên độ) là Φ_o = NBS.

Thay N = 100, B = 0,1 T, S = 50 cm² = 50. 10^-4 m² và ω = 100π rad/s ta được biểu thức của từ thông qua khung dây là : Φ = 0,05cos(100πt)(Wb)

b) Từ thông qua khung dây biến thiên điều hoà theo thời gian, theo định luật cảm ứng điện từ của Faraday thì trong khung dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng.

Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây được xác định theo định luật Lentz :

Như vậy, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây biến đổi điều hoà theo thời gian với tần số góc ω và với giá trị cực đại (biên độ) là E_o = ωNBS.

Thay N = 100, B = 0,1 T, S = 50 cm² = 50. 10^-4 m² 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 100 cm² , quay đều quanh trục đối xứng với tốc độ góc 120 vòng/phút trong một từ trường đều có cảm ứng từ bằng 0,4 T. Trục quay vuông góc với các đường sức từ. Chọn gốc thời gian là lúc vector phát tuyến của mặt phẳng khung dây cùng hướng với vector cảm ứng từ. Viết biểu thức suất điện động cảm ứng tức thời trong khung.

Hướng dẫn:

Ta có: Φ = NBS = 6 (Wb); ω = 2πn/60 = 4π (rad/s)

Φ = Φ_ocos(B, n) = Φ_ocos(ωt + φ)

Tại thời điểm t = 0 thì (B, n) = 0 → φ = 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 = I_ocos(ωt + φ)

i: giá trị của cường độ dòng điện tại thời điểm t, được gọi là giá trị tức thời của i (cường độ tức thời).

I_o > 0: giá trị cực đại của i (cường độ cực đại).

ω > 0: tần số góc.

f: tần số của i. T: chu kì của i.

(ωt + φ): pha của i.

φ: pha ban đầu (tại thời điểm t = 0).

Tại thời điểm t, dòng điện đang tăng nghĩa là i’ > 0 và ngược lại.

Giá trị hiệu dụng : Ngoài ra, đối với dòng điện xoay chiều, các đại lượng như điện áp, suất điện động, cường độ điện trường, … cũng là hàm số sin hay cosin của thời gian, với các đại lượng này

Nhiệt lượng toả ra trên điện trở R trong thời gian t nếu có dòng điện xoay chiều i(t) = I_ocos(ωt + φ_i) chạy qua là Q = RI²t

Công suất toả nhiệt trên R khi có dòng điện xoay chiều chạy qua P = RI²

Ví dụ 1. Một dòng điện xoay chiều có cường độ i = 2√2cos(100πt + π/6). Chọn phát biểu sai.

A. Cường độ hiệu dụng bằng 2 (A) .          B. Chu kỳ dòng điện là 0,02 (s).

C. Tần số là 100π.          D. Pha ban đầu của dòng điện là π/6.

Hướng dẫn:

Dòng xoay chiều có i = 2√2cos(100πt + π/6), quy về dạng i = I_ocos(ωt + φ) ta có:

I_o = 2√2 → I = 2(A)

ω = 100π (rad/s) → f = ω/2n = 50(Hz), T = 1/f = 0,02(s)

φ = π/6

Căn cứ vào đó ta thấy đáp án C là đáp án cần chọn.

Ví dụ 2. Hãy xác định đáp án đúng. Dòng điện xoay chiều i = 10 cos100πt (A),qua điện trở R = 5 .Nhiệt lượng tỏa ra sau 7 phút là :

A .500J.          B. 50J .          C.105KJ.          D.250 J

Hướng dẫn:

Nhiệt lượng tỏa ra áp dụng công thức: Q = RI²t.

Đáp án C.