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

1 Đánh giá

Ở lớp 9 và lớp 11, chúng ta đã được giới thiệu sơ qua về dòng điện một chiều. Bạn có bao giờ thắc mắc về dòng điện xoay chiều chưa? Bài học hôm nay KhoaHoc sẽ giúp các bạn hình dung được thế nào là dòng điện xoay chiều. Hi vọng bài học này sẽ giúp ích cho các bạn trong việc học tập bám sát bài học trên lớp.

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.

B. BÀI TẬP VÀ HƯỚNG DẪN GIẢI

Câu 1: SGK Vật lí 12, trang 66:

Phát biểu các định nghĩa:

a, giá trị tức thời;

b, giá trị cực đại;

c, giá trị hiệu dụng của cường độ dòng điện và điện áp xoay chiều hình sin.

=> Xem hướng dẫn giải

Câu 2: SGK Vật lí 12, trang 66:

Tại sao phải quy định thống nhất tần số của dòng điện xoay chiều tạo ra trong kĩ thuật?

=> Xem hướng dẫn giải

Câu 3: SGK Vật lí 12, trang 66:

Xác định các giá trị trung bình theo thời gian của:

a, $2\sin 100\pi t$ .

b, $2\cos 100\pi t$ .

c, $2\sin (100\pi t + \frac{\pi }{6})$ .

d, $4\sin ^{2}100\pi t$ .

e, $2\cos (100\pi t - \frac{\pi }{3})$ .

=> Xem hướng dẫn giải

Câu 4: SGK Vật lí 12, trang 66:

Trên một bóng đèn có ghi 220 V - 100W, nối đèn ấy vào mạng điện xoay chiều có U = 220 V. Xác định:

a, Điện trở của đèn.

b, Cường độ dòng điện hiệu dụng qua đèn.

c, Điện năng tiêu thụ của đèn trong một giờ.

=> Xem hướng dẫn giải

Câu 5: SGK Vật lí 12, trang 66:

Một mạch điện gồm hai đèn mắc song song, trên mỗi đèn có ghi: 220 V - 115 W, 220 V - 132 W. Nối hai đầu của mạch điện ấy vào mạng điện xoay chiều có U = 220 V. Xác định:

a, Công suất tiêu thụ của mạch điện;

b, Cường độ dòng điện cung cấp cho mạch.

=> Xem hướng dẫn giải

Câu 6: SGK Vật lí 12, trang 66:

Trên một đèn có ghi 100V – 100W. Mạch điện sử dụng có U = 110V.

Để đảm bảo đèn sang bình thường, phải mắc thêm vào mạch điện một điện trở bằng bao nhiêu ?

=> Xem hướng dẫn giải

Câu 7: SGK Vật lí 12, trang 66:

Với dòng điện xoay chiều, cường độ hiệu dụng I liên hệ với cường độ cực đại I₀ theo công thức nào?

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

B. $I = \frac{I_{0}}{3}$ .

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

D. $I = \frac{I_{0}}{\sqrt{3}}$

=> Xem hướng dẫn giải

Câu 8: SGK Vật lí 12, trang 66

Điện áp tức thời giữa hai đầu của một đoạn mach xoay chiều là $u = 80\cos 100\pi t$ (V). Tần số góc của dòng điện là bao nhiêu?

A. $100\pi$ rad/s.

B. 100 Hz.

C. 50 Hz.

D. $100\pi$ Hz.

=> Xem hướng dẫn giải

Câu 9: SGK Vật lí 12, trang 66

Điện áp tức thời giữa hai đầu của một đoạn mach xoay chiều là $u = 80\cos 100\pi t$ (V). Điện áp hiệu dụng giữa hai đầu đoạn mạch đó là bao nhiêu?

A. 80 V.

B. 40 V.

C. $80\sqrt{2}$ V.

D. $40\sqrt{2}$ V.

=> Xem hướng dẫn giải

Câu 10: SGK Vật lí 12, trang 66

Một đèn có ghi 110 V - 100 W mắc nối tiếp với điện trở R vào một mạch xoay chiều có $u = 220\sqrt{2}\sin 100\pi t$ . Để đèn sáng bình thường, R phải có giá trị là bao nhiêu?