ĐẠI CƯƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU Chủ đề này gồm các vấn đề: cách tạo ra dòng điện xoay chiều, khái niệm dòng điện xoay chiều, hiệu điện thế dao động điều hòa (điện áp), độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp. A. LÍ THUYẾT 1. Cách tạo ra suất điện động xoay chiều a. Cơ sở lí thuyết – Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ b. Cách tạo ra và công thức: – Xét một khung dây có diện tích S gồm N vòng dây Đặt trong một từ trường đều B Tại thời điểm t = 0:  Cho khung dây quay xung quanh một trục  với tốc độ  Từ thông qua khung dây được   với   Do từ thông qua khung dây biến đổi theo thời gian nên trong khung dây xuất hiện suất điện động, với  Trong đó :   + : từ thông (Vêbe (Wb));: là từ thông cực đại.                   + S: Là diện tích một vòng dây ();  N: Số vòng dây của khung                   +: Véc tơ cảm ứng từ của từ trường đều B:Tesla(T)                   +: là tần số góc bằng tốc độ quay của khung (rad/s) 2. Khái niệm dòng điện xoay chiều. a. Định nghĩa:Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ dòng điện (điện áp) biến đổi điều hòa theo thời gian (theo hàm cosin hay sin). => Dòng điện xoay chiều thay đổi về cả cường độ và phương chiều b. Giá trị hiệu dụng: Dựa vào tác dụng nhiệt của dòng điện – Định nghĩa: Cường độ dòng điện hiệu dụng là cường độ của dòng điện không đổi mà nếu cho chúng lần lượt đi qua cùng một điện trở trong cùng một khỏang thời gian thì nhiệt lượng tỏa ra là như nhau – Biểu thức giá trị hiệu dụng:  ;  ;  E=  – Ý nghĩa giá trị hiệu dụng: + Trong thực tế người ta thường sử dụng giá trị hiệu dụng để nói về đại lượng của dòng điện: Ampe kế và Vôn kế nhiệt đo giá trị hiệu dụng + Dòng điện xoay chiều được sử dụng ở hệ thống điện gia đình là 220V – 50Hz (U = 220V; f = 50Hz) c. Biểu thức. * Trong đó:                   + i,u: giá trị cường độ dòng điện và điện áp tức thời, đơn vị là (A).                   +I0; U0 >0 : giá trị cực đại của cường độ dòng điện, điện áp xoay chiều.                   + ,: là các hằng số.                   +  là tần số góc.                   + : pha của dòng điện tại thời điểm t.                   +  ; : Pha ban đầu của dòng điện, điện áp – Các đại lượng đặc trưng. * Chu kì: (s). * Tần số: . 3. Độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp. – Đặt , được gọi là độ lệch pha của điện áp và dòng điện trong mạch. – Nếu  thì khi đó điện áp nhanh pha hơn dòng điện hay dòng điện chậm pha hơn điện áp. – Nếu  thì khi đó điện áp chậm pha hơn dòng điện hay dòng điện nhanh pha hơn điện áp. B. BÀI TẬP     Dạng 1: XÁC ĐỊNH SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG Thông thường bài tập thuộc dạng này yêu cầu ta tính từ thông, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây quay trong từ trường. Ta sử dụng các công thức sau để giải: – Tần số góc: ω=2πf, Với f là số vòng quay trong mỗi giây bằng tần số dòng điện xoay chiều. – Biểu thức từ thông: , Với Φ0 = NBS. – Biểu thức suất điện động:  Với ;  lúc t=0. – Vẽ đồ thị: Đồ thị là đường hình sin: * có chu kì :  T=2πω                      Dạng 2: Bài toán về khoảng thời gian Phân biệt u (giá trị tức thời) ; U(Giá trị hiệu dung) ;  (Giá trị cực đại) – t <=> u, i */Đèn sáng đèn tắt: Khi đặt điện áp  vào hai đầu bóng đèn, biết đèn chỉ sáng lên khi  Gọi  là khoảng thời gian đèn sáng trong một chu kỳ C1:  Với ,  C2: Sử dụng trục thời       */Bài toán về số lần Dòng điện xoay chiều  – Số lần đổi chiều(dòng điện đổi chiều là khi dòng điện bằng không) * Mỗi giây đổi chiều 2f lần * Nếu pha ban đầu  hoặc  thì chỉ giây đầu tiên đổi chiều 2f-1 lần. – Số lần đèn sáng đèn tẳt trong 1s: 2f lần DẠNG 3: TỔNG HỢP DAO ĐỘNG  + Cho uAC và uCB tìm uAB                  uAB = uAC + uCB Cách 1 : Sử dụng hình     Cách 2 : Sử dụng công thức DẠNG 4: GIÁ TRỊ TỨC THỜI VÀ ĐỘ LỆCH PHA a. Chú ý khi sử lý bài tập – Xác định đề bài: Giá trị tức thời (x1; x2); Biên độ (A1; A2) ; Độ lệch pha  – Xác định đại lượng xét giá trị tức thời: Với những đại lượng giá trị thời của u của đoạn có nhiều thiết bị: C1: Có thể để nguyên đoạn C2: Tách thành những hiệu điện thế thành phần – Các kiến thức điện liên quan: Độ lệch pha: Sử dụng giản đồ chung gốc Giá trị biên độ: b. Các trường hợp về pha thường gặp Mối quan hệ cùng pha:         (Cùng cực đại, cùng cực tiểu và cùng bằng không tại một thời điểm)   =>  Mối quan hệ ngược pha: (1 đại lượng cực đại thì đại lượng kia cực tiểu ; cùng bằng không tại một thời điểm) =>  Mối quan hệ vuông pha : ( 1 đại lượng cực đại thì đại lượng còn lại bằng không, )  =>  ; ; ;  Lệch pha nhau bất kì + Tính  bằng giản đồ + Mối quan hệ giữa A1 ; A2 là mối quan hệ giữa (U, I) ; (U1 ; U2) + Dùng đường tròn để sử lí DẠNG 5: ĐIỆN LƯỢNG CHUYỂN QUA DÂY DẪN – Điện lượng qua tiết diện S trong thời gian t là q với : q = i.t Điện lượng qua tiết diện S trong thời gian từ t1 đến t2 là Δq : Chú ý :Bấm máy tính phải để ở chế độ rad. – Điện lượng chuyển qua tiết diện trong một chu kỳ là :0 – Điện lượng chuyển qua tiết diện trong nửa chu kỳ từ thời điểm i = 0:  Ví dụ(Bài tập về suất điện động xoay chiều): (Trích đề thi đại học 2008) Một khung dây dẫn hình chữ nhật có 100 vòng, diện tích mỗi vòng , quay đều quanh trục đối xứng của khung với vận tốc góc 120 vòng/phút trong một từ trường đều có cảm ứng từ bằng 0,2T. Trục quay vuông góc với các đường cảm ứng từ. Chọn gốc thời gian lúc vectơ pháp tuyến của mặt phẳng khung dây ngược hướng với vectơ cảm ứng từ. Biểu thức suất điện động cảm ứng trong khung là     A.                        B.      C.                          D.  Hướng dẫn Tần số góc:  (rad/s). => Đáp án B Ví dụ(Bài toán về khoảng thời gian): Một đèn nêon mắc với mạch điện xoay chiều có điện áp hiệu dụng 220V và tần số 50Hz .Biết đèn sáng khi điện áp giữa 2 cực không nhỏ hơn 155V . a. Trong một giây , số lần đèn sáng và số lần đèn tắt là A. Sáng 100 lần, tắt 100 lần.                                           B. Sáng 50 lần, tắt 50 lần. C. Sáng 300 lần, tắt 100 lần.                                           D. Sáng 100 lần, tắt 50 lần. b. Tỉ số giữa thời gian đèn sáng và thời gian đèn tắt trong một chu kỳ của dòng điện ? A. 3                           B. 4                            C. 2                                 D. 1 Hướng dẫn  a.  -Trong một chu kỳ có 2 khoảng thời gian thỏa mãn điều kiện đèn sáng  Do đó trong một chu kỳ ,đèn chớp sáng 2 lần ,2 lần đèn tắt -Số chu kỳ trong một giây : n = f = 50 chu kỳ -Trong một giây đèn chớp sáng 100 lần , đèn chớp tắt 100 lần => Đáp án A. b.Tìm khoảng thời gian đèn sáng trong nửa chu kỳ đầu -Thời gian đèn sáng trong nửa chu kỳ :  Thời gian đèn sáng trong một chu kỳ :  -Thời gian đèn tắt trong chu kỳ :  -Tỉ số thời gian đèn sáng và thời gian đèn tắt trong một chu kỳ :  => Đáp án C Ví dụ (Bài tập về tổng hợp dao động) : Đoạn mạch AC có điện trở thuần, cuộn dây thuần cảm và tụ điện mắc nối tiếp. B là một điểm trên AC với  và  .Tìm biểu thức hiệu điện thế uAC. A                                          B. C.                                       D.  Hướng dẫn Với bài này ta phải vận dụng công thức lượng giác để tính.  (V). => Đáp án D. Ví dụ (Bài toán về giá trị tức thời và độ lệch pha): Vào cùng một thời điểm nào đó, hai dòng điện xoay chiều  và  đều cùng có giá trị tức thời là 0,5Io, nhưng một dòng điện đang giảm, còn một dòng điện đang tăng. Hai dòng điện này lệch pha nhau một góc bằng. A.                        B.                     C.                              D.  Hướng dẫn Dùng mối liên quan giữa dddh và chuyển động tròn đều: Đối với dòng i1 khi có giá trị tức thời 0,5I0 và đăng tăng ứng với chuyển động tròn đều ở M’ , còn đối với dòng i2 khi có giá trị tức thời 0,5I0 và đăng giảm ứng với chuyển động tròn đều ở M Bằng công thức lượng giác ở chương dđ cơ, ta có : => 2 cường độ dòng điện tức thời i1 và i2 lệch pha nhau  Ví dụ( Bài tập điện lượng chuyển qua dây dẫn): Dòng điện xoay chiều  A qua một dây dẫn . Điện lượng chạy qua tiết diện dây trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,15s là :  A. 0                         B. C                              C.  C                                D. C Hướng dẫn   => Đáp án B