LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

I. NGUYÊN TẮC TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Phương án tạo ra dòng điện xoay chiều

Nguyên tắc: Tạo ra từ thông biến thiên điều hòa qua khung dây dẫn kín.

Có hai cách thực hiện:

2. Khảo sát khung dây quay đều trong từ trường (Hình 17.1)

a) Mô tả thí nghiệm

Xét khung dây dẫn phẳng MNPQ có:

• N vòng dây
• Diện tích mỗi vòng là S
• Quay đều với tốc độ góc ω quanh trục OO’
• Trục quay OO’ đặt vuông góc với vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$

b) Góc α và vectơ pháp tuyến

• Gọi $\vec{n}$ là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng khung dây
• Góc α là góc hợp bởi $\vec{n}$ và $\vec{B}$
• Tại thời điểm t = 0, giả sử $\vec{n}$ hợp với $\vec{B}$ góc $\varphi_0$
• Tại thời điểm t: $\alpha = \omega t + \varphi_0$

3. Từ thông qua khung dây

Từ thông qua khung dây tại thời điểm t:

$$\Phi = NBS\cos\alpha = NBS\cos(\omega t + \varphi_0)$$

Đặt: $\Phi_0 = NBS$ là từ thông cực đại

$$\boxed{\Phi = \Phi_0\cos(\omega t + \varphi_0)}$$

Nhận xét: Từ thông qua khung dây biến thiên điều hòa theo thời gian.

4. Suất điện động cảm ứng trong khung dây

Theo định luật Faraday, suất điện động cảm ứng:

$$e = -\frac{d\Phi}{dt} = -\frac{d}{dt}[NBS\cos(\omega t + \varphi_0)]$$

$$e = NBS\omega\sin(\omega t + \varphi_0)$$

Vì $\sin(\omega t + \varphi_0) = \cos(\omega t + \varphi_0 – \frac{\pi}{2})$, nên:

$$\boxed{e = E_0\cos(\omega t + \varphi)}$$

Trong đó:

5. Các vị trí đặc biệt của khung dây (Hình 17.2)

Khi khung dây MNPQ quay trong từ trường $\vec{B}$, suất điện động thay đổi theo các vị trí:

Kết luận:

6. Cách thay đổi các đại lượng

II. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Định nghĩa dòng điện xoay chiều

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa với thời gian theo quy luật của hàm cosin (hoặc sin).

2. Chu kì và tần số

a) Chu kì (T)

Chu kì của dòng điện xoay chiều là khoảng thời gian ngắn nhất để cường độ dòng điện lặp lại giá trị ban đầu.

$$\boxed{T = \frac{2\pi}{\omega}}$$

• Đơn vị: giây (s)

b) Tần số (f)

Tần số của dòng điện xoay chiều là số chu kì thực hiện được trong một giây.

$$\boxed{f = \frac{1}{T} = \frac{\omega}{2\pi}}$$

• Đơn vị: Héc (Hz)

c) Mối quan hệ giữa ω, T, f:

$$\boxed{\omega = \frac{2\pi}{T} = 2\pi f}$$

3. Biểu thức cường độ dòng điện xoay chiều

Khi nối khung dây với mạch ngoài, trong mạch có dòng điện xoay chiều:

$$\boxed{i = I_0\cos(\omega t + \varphi_i)}$$

Trong đó:

4. Biểu thức điện áp xoay chiều

$$\boxed{u = U_0\cos(\omega t + \varphi_u)}$$

Trong đó:

5. Giá trị hiệu dụng

a) Định nghĩa

Giá trị hiệu dụng của cường độ dòng điện xoay chiều bằng cường độ của một dòng điện không đổi, sao cho khi đi qua cùng một điện trở R thì công suất tiêu thụ trong hai trường hợp là như nhau.

b) Công thức

$$\boxed{I = \frac{I_0}{\sqrt{2}}} \quad \text{hay} \quad I_0 = I\sqrt{2}$$

$$\boxed{U = \frac{U_0}{\sqrt{2}}} \quad \text{hay} \quad U_0 = U\sqrt{2}$$

$$\boxed{E = \frac{E_0}{\sqrt{2}}} \quad \text{hay} \quad E_0 = E\sqrt{2}$$

c) Ý nghĩa thực tế

Các dụng cụ đo điện xoay chiều (vôn kế, ampe kế) thường đo giá trị hiệu dụng.

Ví dụ: Điện áp 220V trong gia đình là giá trị hiệu dụng, giá trị cực đại là $U_0 = 220\sqrt{2} \approx 311$ V.

6. Độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện

$$\boxed{\Delta\varphi = \varphi_u – \varphi_i}$$

7. Bảng tổng hợp các đại lượng

III. MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Cấu tạo

Máy phát điện xoay chiều gồm hai bộ phận chính:

Ngoài ra:

2. Nguyên tắc hoạt động

Nguyên tắc: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ – khi từ thông qua cuộn dây biến thiên, trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng.

Có hai cách hoạt động:

3. Cách lấy điện ra mạch ngoài

a) Khi phần ứng là rôto (khung dây quay)

Cần sử dụng hệ thống vành khuyên và chổi quét:

• Vành khuyên: Hai vành kim loại gắn đồng trục với khung dây, mỗi vành nối với một đầu của khung dây
• Chổi quét: Hai thanh than (hoặc kim loại) tì lên vành khuyên, nối với mạch ngoài

b) Khi phần ứng là stato (cuộn dây đứng yên)

• Lấy điện trực tiếp từ các đầu dây của cuộn dây
• Không cần vành khuyên và chổi quét
• Đây là cách phổ biến trong các máy phát điện công suất lớn

4. Biểu thức suất điện động của máy phát điện

$$\boxed{e = E_0\cos(\omega t + \varphi)}$$

Với:

$$\boxed{E_0 = NBS\omega}$$

Trong đó:

5. Hình ảnh thực tế của máy phát điện (Hình 17.5)

IV. ỨNG DỤNG VÀ QUY TẮC AN TOÀN ĐIỆN

1. Các tác dụng của dòng điện xoay chiều

2. Ứng dụng trong đời sống

3. Quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều

4. Một số biển báo an toàn điện

PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI

DẠNG 1: Viết biểu thức suất điện động cảm ứng của máy phát điện

Phương pháp:

1. Xác định các đại lượng: N, B, S, ω (hoặc f, T)
2. Tính suất điện động cực đại: $E_0 = NBS\omega$
3. Xác định pha ban đầu φ từ điều kiện ban đầu
4. Viết biểu thức: $e = E_0\cos(\omega t + \varphi)$

Ví dụ mẫu:

Câu hỏi: Một khung dây dẫn phẳng có 100 vòng, diện tích mỗi vòng là 50 cm², quay đều với tốc độ 3000 vòng/phút trong từ trường đều B = 0,2 T. Trục quay vuông góc với đường sức từ. Tại t = 0, mặt phẳng khung dây vuông góc với đường sức từ. Viết biểu thức suất điện động cảm ứng trong khung.

Lời giải:

Tóm tắt:

• N = 100 vòng
• S = 50 cm² = 50 × 10⁻⁴ m²
• n = 3000 vòng/phút = 50 vòng/s
• B = 0,2 T
• Tại t = 0: mặt phẳng khung ⊥ $\vec{B}$ → $\vec{n}$ // $\vec{B}$ → α = 0

Bước 1: Tính tốc độ góc $$\omega = 2\pi n = 2\pi \times 50 = 100\pi \text{ (rad/s)}$$

Bước 2: Tính suất điện động cực đại $$E_0 = NBS\omega = 100 \times 0,2 \times 50 \times 10^{-4} \times 100\pi$$ $$E_0 = 10\pi \approx 31,4 \text{ V}$$

Bước 3: Xác định pha ban đầu

• Tại t = 0: mặt phẳng khung ⊥ $\vec{B}$ → Từ thông cực đại → e = 0
• Từ đồ thị: e đi qua 0 và đang giảm → $\varphi = \frac{\pi}{2}$

Bước 4: Viết biểu thức $$\boxed{e = 10\pi\cos\left(100\pi t + \frac{\pi}{2}\right) \text{ (V)}}$$

Hoặc: $e = 10\pi\sin(100\pi t)$ (V)

DẠNG 2: Xác định các đại lượng từ đồ thị i-t (Hình 17.3)

Phương pháp:

1. Chu kì T: Khoảng thời gian giữa 2 đỉnh dương (hoặc âm) liên tiếp
2. Tần số f: $f = \frac{1}{T}$
3. Giá trị cực đại $I_0$: Biên độ của đồ thị (khoảng cách từ trục hoành đến đỉnh)
4. Giá trị hiệu dụng I: $I = \frac{I_0}{\sqrt{2}}$
5. Pha ban đầu $\varphi$: Xác định từ giá trị i tại t = 0

Ví dụ mẫu (Hình 17.3):

Câu hỏi: Từ đồ thị biểu diễn cường độ dòng điện xoay chiều theo thời gian (Hình 17.3), hãy:

• Xác định chu kì T và tần số f
• Xác định giá trị cực đại và giá trị hiệu dụng
• Xác định pha ban đầu và viết biểu thức i(t)

Lời giải:

Từ đồ thị:

a) Chu kì và tần số:

• Đồ thị đạt cực đại dương tại t = 0 và t = 0,02 s
• Chu kì: $T = 0,02$ s
• Tần số: $f = \frac{1}{T} = \frac{1}{0,02} = 50$ Hz
• Tần số góc: $\omega = 2\pi f = 100\pi$ rad/s

b) Giá trị cực đại và hiệu dụng:

• Giá trị cực đại: $I_0 = 4$ A (đọc từ đồ thị)
• Giá trị hiệu dụng: $I = \frac{I_0}{\sqrt{2}} = \frac{4}{\sqrt{2}} = 2\sqrt{2} \approx 2,83$ A

c) Pha ban đầu:

• Tại t = 0: i = $I_0$ = 4 A (cực đại dương)
• Ta có: $i(0) = I_0\cos\varphi = I_0$ → $\cos\varphi = 1$ → $\varphi = 0$

d) Biểu thức: $$\boxed{i = 4\cos(100\pi t) \text{ (A)}}$$

DẠNG 3: Tính giá trị hiệu dụng từ giá trị cực đại và ngược lại

Phương pháp:

$$I = \frac{I_0}{\sqrt{2}} \quad \Leftrightarrow \quad I_0 = I\sqrt{2}$$

$$U = \frac{U_0}{\sqrt{2}} \quad \Leftrightarrow \quad U_0 = U\sqrt{2}$$

Ví dụ mẫu:

Câu hỏi: Điện áp xoay chiều trong gia đình có giá trị hiệu dụng U = 220 V và tần số f = 50 Hz. Tính giá trị cực đại của điện áp và viết biểu thức u(t), biết pha ban đầu bằng 0.

Lời giải:

Tóm tắt:

• U = 220 V
• f = 50 Hz
• $\varphi_u = 0$

Bước 1: Tính giá trị cực đại $$U_0 = U\sqrt{2} = 220\sqrt{2} \approx 311 \text{ V}$$

Bước 2: Tính tần số góc $$\omega = 2\pi f = 2\pi \times 50 = 100\pi \text{ rad/s}$$

Bước 3: Viết biểu thức $$\boxed{u = 220\sqrt{2}\cos(100\pi t) \text{ (V)}}$$

DẠNG 4: Xác định chu kì, tần số, pha ban đầu

Phương pháp:

Từ biểu thức: $i = I_0\cos(\omega t + \varphi)$

• Chu kì: $T = \frac{2\pi}{\omega}$
• Tần số: $f = \frac{\omega}{2\pi}$
• Pha ban đầu: φ (hệ số trong ngoặc khi t = 0)

Ví dụ mẫu:

Câu hỏi: Cho biểu thức cường độ dòng điện $i = 2\cos\left(50\pi t + \frac{\pi}{3}\right)$ (A). Xác định giá trị cực đại, giá trị hiệu dụng, chu kì, tần số và pha ban đầu.

Lời giải:

So sánh với biểu thức tổng quát: $i = I_0\cos(\omega t + \varphi)$

• Giá trị cực đại: $I_0 = 2$ A
• Giá trị hiệu dụng: $I = \frac{2}{\sqrt{2}} = \sqrt{2} \approx 1,41$ A
• Tần số góc: $\omega = 50\pi$ rad/s
• Chu kì: $T = \frac{2\pi}{\omega} = \frac{2\pi}{50\pi} = 0,04$ s
• Tần số: $f = \frac{1}{T} = 25$ Hz
• Pha ban đầu: $\varphi = \frac{\pi}{3}$ rad = 60°

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn