BÀI 13. ĐẠI CƯƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Nhà máy thủy điện Hòa Bình (13.1) là một trong số các nhà máy thủy điện nổi tiếng ở Việt Nam, với tổng sản lượn điện sản xuất kể từ khi được đưa vào vận hành đến tháng 9/2023 là 270 tỉ kW.h (Nguồn: EVN). Dòng điện được tạo ra và truyền đi từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ dòng điện xoay chiều. Vậy dòng điện xoay chiều có những đặc điểm gì?

Giải rút gọn:

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có những đặc điểm đó là: cường độ biến thiên điều hòa theo thời gian.

1. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Thảo luận 1: Dựa vào định luật Faraday, đề xuất một số phương pháp tạo ra suất điện động cảm ứng trong khung dây dẫn kín.

Giải rút gọn:

Phương pháp: đặt khung dây trong một từ trường (có thể được tạo ra bởi nam châm, nam châm điện, ống dây có dòng điện chạy qua,...) thì sẽ tạo ra suất điện động cảm ứng.

Thảo luận 2: Hình 13.3 là mô hình máy phát điện xoay chiều đơn giản, bao gồm khung dây (1) được đặt trong từ trường của nam châm (2), khung dây được nối với hai vành khuyên (3) và hai thanh quét (4) để đưa dòng điện ra ngoài. Hãy trình bày nguyên tắc tạo suất điện động xoay chiều bởi máy này.

Giải rút gọn:

Nguyên tắc tạo ra sất điện động xoay chiều bởi máy này là:

- Khung dây (1) đặt giữa hai cực của nam châm (2) nên khung dây được đặt trong từ trường.

- Khi trục của khung dây quay thì từ thông qua khung dây biến thiên, do đó trong khung dây xuất hiện suất điện động cảm ứng.

Luyện tập: Có thể dùng thanh nam châm thẳng để tạo ra dòng điện xoay chiều trong khung dây kín không? Vì sao?

Giải rút gọn:

Không thể dùng thanh nam châm thẳng để tạo ra dòng điện xoay chiều bởi vì: Từ trường của nam châm thẳng không phải từ trường đều, nên độ lớn cảm ứng từ ở các điểm khác nhau là khác nhau.

Luyện tập: Từ các dụng cụ: 1 khung dây hình chữ nhật có thể quay đều quanh một trục cố định (trục đối xứng của khung và năm trong mặt phẳng khung), 2 vật dẫn, 1 nam châm chữ U tạo ra một từ trường đều đủ rộng, 1 cặp dây dẫn. Em hãy thiết kế phương án thí nghiệm để tạo ra dòng điện xoay chiều.

Giải rút gọn:

Phương án thí nghiệm để tạo ra dòng điện xoay chiều là:

Bước 1: Đặt khung dây ở giữa hai cực của nam châm chữ U.

Bước 2: Nối 2 vật dẫn và dây dẫn với khung dây.

Bước 3: Cho khung dây quay quanh trục đối xứng.

Bước 4: Quan sát sự xuất hiện của dòng điện trong mạch.

Thảo luận 3: Quan sát Hình 13.4, hãy xác định độ lệch pha của i(t) và u(t).

Giải rút gọn:

Xét đồ thị a: t = 0 → u = 0, đồ thị đi lên → =

Xét đồ thị b: t = 0 → i = I_o, đồ thị đi xuống → =

Độ lệch pha của I và U là =

2. CÁC GIÁ TRỊ HIỆU DỤNG

Thảo luận 4: Nêu ví dụ thực tế chứng tỏ dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng nhiệt.

Giải rút gọn:

Ví dụ dòng điện xoay chiều có tác dụng nhiệt: Dây dẫn có dòng điện chạy qua bị nóng lên, bàn ủi, dòng điện chạy qua dây mayso của bếp điện làm dây mayso nóng đỏ lên,…

Thảo luận 5: Đồng hồ đo điện đa năng hiện số là thiết bị có thể được sử dụng để đo cường độ dòng điện và điện áp của dòng điện xoay chiều. Số hiển thị trên màn hình khi tiến hành đo thể hiện giá trị nào của dòng điện?

Giải rút gọn:

Số hiển thị trên màn hình thể hiện giá trị của cường độ dòng điện hiệu dụng.

Thảo luận 6: Xét dòng điện xoay chiều đi qua đoạn mạch chỉ chứa điện trở R. Đồ thị điện áp - thời gian và cường độ dòng điện - thời gian được mô tả trong Hình 13.5.

a) Hãy xác định giá trị cực đại, giá trị hiệu dụng, chu kì và tần số của cường độ dòng điện và điện áp.

b) Nhận xét về pha dao động của cường độ dòng điện và điện áp.

Giải rút gọn:

a) * Điện áp: 

Giá trị cực đại:U_o = 200 (V)

Giá trị hiệu dụng: U (V)

Chu kì T = 0,02 (s)

Tần số:  f = (s^-1)

* Cường độ dòng điện:

Cường độ dòng điện cực đại : I_o = (V)

Cường độ dòng điện hiệu dụng: I = (V)

Chu kì T = 0,02 (s)

Tần số  f = (s^-1)

b) Nhận xét về pha dao động: = → u và i dao động cùng pha.

Vận dụng: Em hãy sắp xếp đúng thứ tự các bước bên dưới để đo giá trị cường độ dòng điện hiệu dụng chạy qua bóng đèn dây tóc bằng cách sử dụng đồng hồ đo điện đa năng hiện số.

• Mắc nối tiếp đồng hồ với đoạn mạch (có bóng đèn dây tóc và khóa K mở) cần đo cường độ dòng điện.

• Đóng khóa K.

• Chọn thang đo thích hợp.

• Khi các chữ số hiển thị trên màn hình đã ổn định, đọc trị số của cường độ dòng điện.

• Ngắt khóa K và tháo mạch điện.

• Kết thúc thao tác đo, nhấn nút ON/OFF để tắt đồng hồ.

• Tìm hiểu các quy tắc an toàn điện.

• Nhấn nút ON/OFF để bật đồng hồ.

Giải rút gọn:

Các bước thực hiện theo đúng thứ tự là:

Bước 1: Tìm hiểu các quy tắc an toàn điện.

Bước 2: Chọn thang đo thích hợp.

Bước 3: Mắc nối tiếp đồng hồ với đoạn mạch (có bóng đèn dây tóc và khóa K mở) cần đo cường độ dòng điện.

Bước 4: Nhấn nút ON/OFF để bật đồng hồ.

Bước 5: Đóng khóa K.

Bươc 6: Khi các chữ số hiển thị trên màn hình đã ổn định, đọc trị số của cường độ dòng điện.

Bước 7: Kết thúc thao tác đo, nhấn nút ON/OFF để tắt đồng hồ.

Bước 8: Ngắt khóa K và tháo mạch điện.

3. ỨNG DỤNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU TRONG CUỘC SỐNG

Thảo luận 6: Theo em, để giảm hao phí điện năng trong quá trình truyền tải điện từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ, cần tối thiểu bao nhiêu máy biến áp?

Giải rút gọn:

Để giảm hao phí điện năng trong quá trình truyền tải điện từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ, cần tối thiểu 2 máy biến áp: 1 máy tăng thế ở đầu đường dây tải điện và 1 máy hạ thế ở nơi tiêu thụ.

Thảo luận 7: Liệt kê một số đồ dụng sinh hoạt trong gia đình có sự chuyển hóa điện năng chủ yếu thành nhiệt năng hoặc cơ năng.

Giải rút gọn:

Một số đồ dùng sinh hoạt trong gia đình:

- Vật dụng chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng: bàn là, nồi cơm điện, bếp điện,...

- Vật dụng chuyển hóa điện năng thành cơ năng: quạt điện, máy bơm nước,...

4. QUY TẮC AN TOÀN ĐIỆN

Thảo luận 8: Quan sát Hình 13.8 và liệt kê những điều nên và không nên làm để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện trong gia đình.

Giải rút gọn:

Những điều nên và không nên làm để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện đó là:

- Không chạm vào dụng cụ sử dụng điện khi tay ướt

- Không để dây điện lên vậy dễ cháy như bếp gas

- Không nên cho nước vào bàn là đang cắm điện

- Kiểm tra hệ thống mạng điện và bảo trì thiết bị điện định kì

- Tránh sử dụng thiết bị điện khi đang sạc

- Nên rút thiết bị điện khi không sử dụng

Luyện tập: Hãy nêu một số quy tắc an toàn điện trong phòng thí nghiệm

Giải rút gọn:

Một số quy tắc an toàn điện trong phòng thí nghiệm là:

- Không sử dụng hoặc để các dung môi dễ cháy gần thiết bị điện

- Chỉ sử dụng các dụng cụ và thiết bị có tay cầm không dẫn điện khi làm việc với các thiết bị điện

- Tắt nguồn của bất kỳ thiết bị nào trước khi kiểm tra. 

Vận dụng: Tìm hiểu và trình bày một số quy tắc an toàn điện trong sản xuất và kinh doanh.

Giải rút gọn:

Quay tắc an toàn điện trong sản xuất và kinh doanh là:

- Người có chuyên môn về điện và đã qua huấn luyện an toàn điện mới được bảo dưỡng, sửa chữa, cải tạo, lắp đặt thiết bị điện.

- Không tự tiện ấn nút hoặc đóng ngắt cầu dao

- Phải ngắt thiết bị ra khỏi nguồn điện và nối đất thiết bị trước khi bảo dưỡng, sửa chữa.

- Không tự tiện đi vào vùng nguy hiểm của thiết bị điện hoặc đường dây dẫn điện và không tự ý đấu nối thay đổi hệ thống điện.

- Tại ví trí có dòng điện cao thế phải treo bảng cảnh báo nguy hiểm.

- Khi làm việc trên cao phải đeo dây an toàn;

- Tháo đồ kim loại trên người, mặc quần áo khô, đeo găng, mang ủng cách điện, dụng cụ cách điện phù hợp khi việc với thiết bị đang mang điện.

- Khi phát hiện thấy điều bất thường (mùi khét, khói, tia lửa điện…) phải lập tức báo để người vận hành ngừng ngay thiết bị.

BÀI TẬP

1. Trong các biểu thức dưới đây (trong đó t được đo bằng s), biểu thức nào biểu diễn đúng cường độ dòng điện xoay chiều có chu kì 0,02 s và giá trị hiệu dụng là ?

A. i = cos(100 (A)                         B. i = cos(50 (A)

C. i = cos(100 (A)                           D. i = cos(50 (A)

Giải rút gọn:

Đáp án C.

2. Dựa vào Hình 13P.1, hãy cho biết đường nào là đường biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào thời gian của dòng điện không đổi và dòng điện xoay chiều. Giải thích.

Giải rút gọn:

- Đồ thị hình sin (đường màu đỏ) thể hiện sự phụ thuộc của I vào t của dòng điện xoay chiều. Bời vì cường độ dòng điện biến thiên điều hòa theo thời gian

- Đồ thị đường thẳng nằm ngang (đường màu xanh) thể hiện sự phụ thuộc của I vào t của dòng điện không đổi. Bời vì cường độ dòng điện không đổi theo thời gian.

3. Xét một mạch tạo sóng với đầu ra được nối với một dao động kí điện tử dùng để hiện thị mối liên hệ giữa cường độ của tín hiệu điện áp theo thời gian. Dựa vào hình ảnh quan sát được trên màn hình của dao động kí điện tử trong Hình 13P.2, hãy xác định tần số của dòng điện xoay chiều được tạo ra bởi mạch tạo sóng âm tần nói trên. Biết mỗi ô trên trục hoành ứng với khoảng thời gian 0,5ms.

Giải rút gọn:

Chu kì của dòng điện là: T = 0,5.4 = 2 (ms);

Tần số của dòng điện là: f (ms^-1)

4. Cường độ dòng điện xoay chiều qua một đoạn mạch có biểu thức i = 3cos( (A), trong đó t được đo bằng s. Biết rằng trong thời gian 0,1 s thì dòng điện tăng từ giá trị 0 A đến 3 A. Hãy tính tần số góc của dòng điện.

Giải rút gọn: