Nội dung chính Vật lí 12 cánh diều Bài 4: Đại cương về dòng điện xoay chiều

CHỦ ĐỀ 3: TỪ TRƯỜNG

BÀI 4: ĐẠI CƯƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

I. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Khái niệm dòng điện xoay chiều và điện áp xoay chiều

- Trong đoạn mạch xuất hiện dòng điện có cường độ biến thiên theo thời gian theo định luật dạng sin hay cosin. Dòng điện này được gọi là dòng điện xoay chiều hình sin, gọi tắt là dòng điện xoay chiều.

2. Chu kì, tần số, giá trị cực đại của cường độ dòng điện và điện áp xoay chiều

- Dạng tổng quát của điện áp xoay chiều giữa hai đầu một đoạn mạch và cường độ dòng điện xoay chiều qua nó là

u = U₀cos(ωt + φ_u) 

i = I₀cos(ωt + φ_i) 

- Trong đó:

+ u và I 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.

+ Các đại lượng (ωt + φ_u) và (ωt + φ_i) là pha của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều; ∆φ = φ_u - φ_i gọi là độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.

3. Giá trị hiệu dụng

- Mối liên hệ giữa giá trị hiệu dụng và giá trị cực đại của dòng điện, điện áp xoay chiều và suất điện động lần lượt là:

II. PHƯƠNG PHÁP TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

- Khi từ thông qua một khung dây dẫn biến thiên điều hòa, trong khung dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng cũng biến thiên điều hòa.

- Biểu thức suất điện động cảm ứng: 

e = E₀cos(ùt + ϕ₀) (V) 

- Biểu thức suất điện động cực đại: E₀ = BSù.

- Trong thực tế, có hai cách tạo ra suất điện động xoay chiều thường dùng trong các máy phát điện.

+ Từ trường cố định, các cuộn dây của máy phát quay trong từ trường.

2. Máy phát điện xoay chiều một pha

*Cấu tạo

- Mỗi máy phát điện xoay chiều đều có hai bộ phận chính là phần cảm và phần ứng.

+ Phần cảm là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu. Phần này tạo ra từ trường.

+ Phần ứng là những cuộn dây, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động.

Một trong hai phần được đặt cố định, phần còn lại quay quanh một trục. Phần cố định được gọi là stato, phần quay là rotato (rôto).

*Hoạt động

- Các máy phát điện xoay chiều một pha có thể hoạt động theo hai cách.

+ Phần ứng quay, phần cảm cố định

- Các máy hoạt động theo cách này có stato là nam châm đặt cố định, rotato là khung dây quay quanh một trục trong từ trưởng tạo bởi stato.

- Để dẫn dòng điện ra mạch ngoài, người ta dùng hai vành khuyên đặt đồng trục và cùng quay với khung dây. Mỗi vành khuyên có một thanh quét ép sát. Khi khung dây quay, hai vành khuyên trượt trên hai thanh quét, dòng điện truyền từ khung dây qua hai thanh quét ra mạch ngoài.

+ Phần cảm quay, phần ứng cổ định

- Các máy hoạt động theo cách này có rotato là nam châm, thường là nam châm điện với từ trường được tạo bởi dòng điện một chiều. Các cuộn dây của rotato có lõi sắt và xếp thành vòng tròn, quay quanh trục qua tâm vòng tròn.

- Stato của máy gồm nhiều cuộn dây có lõi sắt, được sắp xếp cách đều nhau thành một vòng tròn.

III. SỬ DỤNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Tác dụng và ứng dụng của dòng điện xoay chiều 

- Cũng như dòng điện không đổi, dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng phát sáng, tác dụng nhiệt, tác dụng tử, tác dụng hoá học, tác dụng sinh lí.

- Ngoài tác dụng nhiệt và tác dụng phát sảng, tác dụng tử của dòng điện xoay chiều được ứng dụng rộng rãi trong khoa học, kĩ thuật và đời sống, là cơ sở để chế tạo các loại động cơ điện.

- Hệ thống lưới điện quốc gia của nước ta là hệ thống lưới điện xoay chiều. Dòng điện được dùng trong các gia đình, công sở, nhà máy, trường học, bệnh viện, ... chủ yếu là dòng điện xoay chiều.

- Trong những ứng dụng cần dùng dòng điện một chiều, ta cũng dễ dàng chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

- Một lí do quan trọng để dòng điện xoay chiều được dùng rộng rãi là điện áp xoay chiều có thể thay đổi được rất linh hoạt nhờ máy biến áp. Điều đó tạo thuận tiện cho việc sử dụng dòng điện xoay chiều ở các điện áp có trị số khác nhau, ví dụ như trong việc truyền tải điện đi xa.

- Khi cần truyền tải điện đi xa thì việc làm giảm hao phí điện trên đường dây có lợi ích lớn. Công suất hao phí năng lượng điện khi truyền tải điện đi xa được tính theo công thức:

2. Tuân thủ quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều

- Để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện xoay chiều, cần tuân thủ những quy tắc an toàn điện dưới đây:

+ Lắp đặt thiết bị đóng ngắt điện (cầu dao hay aptomat) đúng cách để ngắt dòng điện khi có chập điện hay quá tải.

+ Lựa chọn thiết bị đóng ngắt điện phù hợp với công suất sử dụng.

+ Nơi lắp đặt cầu dao, cầu chì, công tắc, ổ điện phải ở những vị trí cao, khô ráo, thuận tiện.

+ Giữ khoảng cách an toàn với những khu vực có điện áp cao.

+ Nối đất vỏ kim loại cho các thiết bị điện (máy giặt, tủ lạnh, bếp điện,...).

+ Thường xuyên kiểm tra các thiết bị, đường dây điện, thiết bị đóng ngắt bảo vệ điện trong nhà để phòng tránh các sự cố giật điện, cháy nổ....

+ Khi nhà bị ngập hoặc bị mưa bão làm tốc mái, cần ngắt cầu dao điên để đảm bảo an toàn.