Bài Tiểu Luận - Chuyên Đề Vật Lý 12 Chân Trời Sáng Tạo

Các giá trị của dòng điện xoay chiều2.1 Kí hiệu - Nguồn xoay điện trong tiếng Anh là AC Alternating Current - Kí hiệu là dấu ngã “ ~ “ Hình 1.3 Kí hiệu của dòng điện xoay chiều và dòng đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG THPT MẠC ĐĨNH CHI

CHUYÊN ĐỀ VẬT LÝ 12 Bài 1: Các đặc trưng của dòng điện xoay chiều Giáo viên bộ môn: Thầy Lương Tuấn Anh Nhóm thực hiện: 3

Mục lục

BẢNG PHÂN CÔNG CHI TIẾT 3

ĐẶT VẤN ĐỀ 4

I Dòng điện xoay chiều 4

1 Khái niệm 4

2 Các giá trị của dòng điện xoay chiều 6

2.1 Kí hiệu 6

2.2 Công suất dòng điện xoay chiều 6

2.3 Chu kỳ và tần số của dòng điện xoay chiều 6

3 Sự khác nhau giữa dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều 7

4 Nguyên lý và cách tạo dòng điện xoay chiều 8

4.1 Nguyên lý 8

4.2 Cách tạo ra dòng điện xoay chiều 8

5 Giá trị hiệu dụng 9

6 Tác dụng của dòng điện xoay chiều 11

II Thí nghiệm đo tần số, điện áp xoay chiều 11

1 Mục đích 11

2 Dụng cụ 11

3 Kết quả thí nghiệm 12

4 Phân tích kết quả thí nghiệm 12

III Các mạch điện xoay chiều 13

1 Mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở thuần 13

1.1 Định nghĩa 13

1.2 Mối quan hệ giữa i và u trong mạch điện xoay chiều 13

1.3 Mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở 14

2 Mạch điện xoay chiều có tụ điện 14

2.1 Định nghĩa 14

2.2 Mối quan hệ giữa i và u trong mạch điện xoay chiều có tụ điện 15

2.3 Mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện 15

2.4 Dung kháng 15

3 Mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần 16

3.1 Định nghĩa 16

3.2 Mối quan hệ giữa i và u trong mạch điện xoay chiều có cuộn cảm thuần 16

3.3 Mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần 17

3.4 Cảm kháng 17

4 Mạch điện xoay chiều RLC nối tiếp 17

4.1 Định nghĩa 17

4.2 Mối quan hệ giữa i và u trong mạch điện xoay chiều RLC nối tiếp 18

4.3 Mạch điện xoay chiều RLC nối tiếp 18

4.4 Tổng trở toàn mạch 19

IV Thí nghiệm khảo sát đoạn mạch điện xoay chiều RLC mắc nối tiếp 19

1 Mục đích 19

2 Dụng cụ 19

3 Tiến hành thí nghiệm 21

4 Kết quả thí nghiệm 21

5 Phân tích thí nghiệm 21

V Kết luận 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

BẢNG PHÂN CÔNG CHI TIẾT

Tìm nội dung Kiến thức về dòng điện xoay

Tổng hợp Tổng hợp và chỉnh sửa nội dung Tuấn Kiệt 14 100%

Thí nghiệm đo tần số, điện áp

xoay chiều

Slide thuyết

trình

Dòng điện xoay chiều Gia Hân, Mai Nhi 07, 30 100%

Mạch điện xoay chiều Hoàn Kim,Thuỷ

Trúc

➔ Vì sao dòng điện này được gọi là dòng điện xoay chiều?

➔ Cách để tạo ra dòng điện xoay chiều?

➔ Cách đo đại lượng của dòng điện xoay chiều ra sao?

I Dòng điện xoay chiều

1 Khái niệm

- Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hoà theo thời gian

- Dòng điện xoay chiều là một loại dòng điện chuyển động liên tục trong một hướng

và đổi chiều thường xuyên theo một chu kỳ nhất định Nó được đặc trưng bởi tần số,

là số lần thay đổi chiều của dòng điện trong một giây, được đo bằng đơn vị Hz

(hertz) Thông thường, tần số dòng điện xoay chiều phổ biến nhất là 50Hz hoặc 60Hz

Hình 1.2 Dạng đồ thị của cường độ dòng điện (a) và điện áp (b) theo thời gian

Nguồn: SGK trang 5 Chuyên đề Vật Lý 12 Chân trời sáng tạo

Biểu thức của cường độ dòng điện xoay chiều:

𝑖 = 𝐼

0𝑐𝑜𝑠(ω𝑡 + φ)

- Với i là cường độ dòng điện tức thời (A).

- I0 là cường độ dòng điện cực đại (A).

- ω là tần số góc của dòng điện (rad/s).

- φilà pha ban đầu của cường độ dòng điện.

Biểu thức của điện áp xoay chiều:

𝑢 = 𝑈

0𝑐𝑜𝑠(ω𝑡 + φ)

- Với u là điện áp tức thời (V).

- U0 là điện áp cực đại (v).

- φu là pha ban đầu của điệp áp.

Cách tạo ra suất điện động xoay chiều:

Cho khung dây dẫn phẳng có N vòng ,diện tích S quay đều với vận tốc ω, xung quanh trục vuông góc với với các đường sức từ của một từ trường đều có cảm ứng từ Theo định luật cảm ứng điện từ, trong khung dây xuất hiện một suất điện động biến đổi theo định luật dạng cosin với thời gian gọi tắt là suất điện động xoay chiều:

𝑒 = 𝐸

0𝑐𝑜𝑠(ω𝑡 + φ

0)

2 Các giá trị của dòng điện xoay chiều

2.1 Kí hiệu

- Nguồn xoay điện trong tiếng Anh là AC (Alternating Current)

- Kí hiệu là dấu ngã “ ~ “

Hình 1.3 Kí hiệu của dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều

2.2 Công suất dòng điện xoay chiều

- Dòng điện xoay chiều phụ thuộc vào 3 đại lượng là cường độ dòng điện,

điện áp và độ lệch pha so với điện áp của cường độ dòng điện.

Trong đó:

• P: công suất của dòng điện xoay chiều (W)

• I: cường độ dòng điện (A)

• α: độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện

2.3 Chu kỳ và tần số của dòng điện xoay chiều

Trong đó:

• T là chu kỳ dòng điện xoay chiều (s)

• F là tần số dòng điện xoay chiều (Hz)

3 Sự khác nhau giữa dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều

Hình 1.4 So sánh giữa dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều

- Từ những sự khác nhau như hình trên, 2 loại dòng điện này cũng có

những ứng dụng khác nhau trong đời sống

Hình 1.5 Những ứng dụng khác nhau của 2 loại dòng điện trong đời sống

- Một số ứng dụng cụ thể của dòng điện xoay chiều trong đời sống

Hình 1.6 Ứng dụng của dòng điện xoay chiều

4 Nguyên lý và cách tạo dòng điện xoay chiều

4.1 Nguyên lý

- Dòng điện xoay chiều được tạo ra bằng cách cho một khung dây dẫn phẳng kín quay quanh một trục cố định với tốc độ góc ω trong một từ trường đều có cảm ứng từ Khi đó, từ thông qua khung dây biến thiên, làm xuất hiện suất điện động cảm ứng Nếu nối hai đầu khung dây với các linh kiện như: điện trở, tụ điện, cuộn dây thì trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện xoay chiều biến thiên điều hoà theo thời gian với tần số góc ω.

4.2 Cách tạo ra dòng điện xoay chiều

- Cách thứ nhất: Cho nam châm quay xung quanh sau khi đặt một cuộn dây dẫn

kín

Hình 1.7 Nam châm quay xung quanh

- Cách thứ hai: Từ trường của nam châm để cuộn dây dẫn kín quay quanh

Hình 1.8 Cuộn dây dẫn quay xung quanh

5 Giá trị hiệu dụng

- Dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng tỏa nhiệt như dòng điện một chiều Xét

về mặt toả nhiệt trong một thời gian dài thì dòng điện xoay chiều i=cos(ωt+φi) tương đương với dòng điện một chiều có cường độ không đổi có cường độ

bằng "Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều bằng cường độ của một

dòng điện không đổi,nếu cho hai dòng điện đó lần lượt đi qua cùng một điện trở trong những khoảng thời gian bằng nhau đủ dài thì nhiệt lượng toả ra bằng nhau Nó có giá trị bằng cường độ dòng điện cực đại chia cho √2".

Các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều:

+ Cường độ dòng điện hiệu dụng:

+ Hiệu điện thế hiệu dụng:

+ Suất điện động hiệu dụng:

➢ Khi mắc ampe kế hay vôn kế vào mạch, số chỉ trên các dụng cụ đo là giá trị hiệu dụng.

Lý do sử dụng các giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều:

+ Khi sử dụng dòng điện xoay chiều, ta không cần quan tâm đến các giá trị tức thời của i và u vì chúng biến thiên rất nhanh, ta cần quan tâm tới tác dụng của

nó trong một thời gian dài.

+ Tác dụng nhiệt của dòng điện tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện nên không phụ thuộc vào chiều dòng điện.

+ Ampe kế đo cường độ dòng điện xoay chiều và vôn kế đo điện áp xoay chiều dựa vào tác dụng nhiệt của dòng điện nên gọi là ampe kế nhiệt và vôn kế

nhiệt, số chỉ của chúng là cường độ hiệu dụng và điện áp hiệu dụng của dòng điện xoay chiều.

Công suất tỏa nhiệt trung bình trên điện trở thuần:

+ Khi cho dòng điện xoay chiều chạy qua một điện trở thuần R làm điện trở tỏa nhiệt Công suất tỏa nhiệt tức thời trên điện trở là:

+ Khi đó: Công suất tỏa nhiệt trung bình trên điện trở trong một chu kì là:

Công suất cực đại của dòng điện xoay chiều chạy qua điện trở:

+ Công suất tỏa nhiệt trung bình trên điện trở bằng một nửa công suất cực đại của dòng điện xoay chiều chạy qua điện trở đó.

Công thức công suất tỏa nhiệt trung bình tại t bất kì:

6 Tác dụng của dòng điện xoay chiều

Hình 1.9 Tác dụng của dòng điện xoay chiều

II Thí nghiệm đo tần số, điện áp xoay chiều

1 Mục đích

- Đo tần số, điện áp xoay chiều bằng các dụng cụ thực hành

2 Dụng cụ

- Biến áp nguồn có điện áp đầu ra xoay chiều và có thể thay đổi được (1)

● Thông số kỹ thuật: Sử dụng nguồn điện xoay chiều 220V– 50Hz

- Đồng hồ đo điện đa năng (2)

● Thông số kỹ thuật: 6000V đến 1000V

- Que đo đồng hồ đa năng (3)

● Điện áp chịu đựng : 1000V

● Dòng tải : 20A

Hình 2.1 Dụng cụ thực hành đo tần số, điện áp xoay chiều

Nguồn: Hình ảnh trích xuất từ Youtube

- Đề xuất quy trình thí nghiệm từ các dụng cụ thực hành trên như sau

Hình 2.2 Quy trình thực hiện thí nghiệm

- Sai số tuyệt đối của phép đo:

III Các mạch điện xoay chiều

1 Mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở thuần

➢ Nhận xét: Cường độ tức thời trong mạch cùng pha với điện áp tức thời hai đầu

mạch: URcùng pha với i.

1.3 Mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở

- Đặt một điện áp xoay chiều u = U0.cos( ωt + φu) vào hai đầu đoạn mạch chỉ

có điện trở thuần R.

- Trong đó:

u : hiệu điện thế tức thời (V)

U0:hiệu điện thế cực đại (V)

ωt: pha dao động

Định luật Ohm trong mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở

= hay I=

𝐼0

𝑈

0

𝑅

𝑈𝑅

Cường độ dòng điện và điện áp tức thời

- Tại mỗi thời điểm, cường độ dòng điện và điện áp tức thời tuân theo định luật Ohm nên:

- Trong đó:

i: cường độ dòng điện tức thời (A)

: cường độ dòng điện cực đại (A)

2.2 Mối quan hệ giữa i và u trong mạch điện xoay chiều có tụ điện

- i sớm pha π2 so với uC (hay uC trễ pha π2 so với i).

2.3 Mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện

- Đặt một điện áp xoay chiều u = U0.cos( ωt + φu) vào hai đầu tụ điện có điện dung C

Định luật Ohm trong mạch điện xoay chiều

chỉ có tụ điện

𝐼0

i : cường độ dòng điện tức thời (A)

: cường độ dòng điện cực đại (A)

12π𝑓𝐶

- Dung kháng là đại lượng biểu hiện sự cản trở

dòng điện xoay chiều của tụ điện.

- Dòng điện xoay chiều có tần số cao (cao tần) chuyển qua tụ điện dễ dàng hơn dòng điện xoay chiều tần số thấp.

- Dung có tác dụng làm cho i sớm pha π2 so với uC.

thời gian cùng tần số và trễ pha π/2 so với cường độ dòng điện i.

3 Mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần

● Độ tự cảm của cuộn dây

- Giả sử có dòng điện i chạy qua cuộn dây,

dòng điện này gây ra từ trường có các đường

sức từ.

- Từ thông Φ qua tiết diện của cuộn dây tỉ lệ với

cảm ứng từ mà dòng điện sinh ra, cảm ứng từ

này tỉ lệ với cường độ dòng điện i.

- Như vậy, từ thông Φ tỉ lệ với cường độ dòng

điện i qua cuộn dây:

Φ = Li.

- L là hệ số tỉ lệ, đặc trưng cho mỗi cuộn dây, còn gọi là độ tự cảm (hệ số tự cảm) của cuộn dây.

- Trong hệ SI, độ tự cảm có đơn vị là Henry (kí hiệu là H)

- Thông thường, mỗi cuộn dây được đặc trưng bởi hai đại lượng là điện trở r và

3.2 Mối quan hệ giữa i và u trong mạch điện xoay chiều có cuộn cảm thuần

- i trễ pha π2 so với uL, hoặc uL sớm pha π2 so với i.

3.3 Mạch điện xoay chiều chỉ có cuộn cảm thuần

- Đặt một điện áp xoay chiều u = U0.cos( ωt + φu) vào hai đầu cuộn cảm thuần

- Cảm kháng đặc trưng cho khả năng cản trở

dòng điện xoay chiều của cuộn cảm.

- Trong hệ SI, cảm kháng có đơn vị là Ω

- ZLlà đại lượng biểu hiện sự cản trở dòng điện xoay chiều của cuộn cảm.

- Cuộn cảm có L lớn sẽ cản trở nhiều đối với dòng điện xoay chiều, nhất là dòng điện xoay chiều cao tần.

- ZL cũng có tác dụng làm cho i trễ pha π2 so với u.

hòa theo thời gian cùng tần số và sớm pha π/2 so với cường độ dòng điện i.

4 Mạch điện xoay chiều RLC nối tiếp

4.1 Định nghĩa

- Mạch điện gồm 1 điện trở R, một cuộn cảm thuần L và một tụ điện C mắc nối tiếp với nhau được gọi là mạch RLC nối tiếp.

- Trường hợp trong mạch điện bị thiếu đi một hoặc hai thiết bị sẽ tạo thành mạch điện đặc biệt:

+ Thiếu tụ điện C: mạch RL

+ Thiếu R: mạch RC

+ Thiếu cuộn cảm L: mạch RC

+ Mạch điện chỉ có R, L hoặc C

4.2 Mối quan hệ giữa i và u trong mạch điện xoay chiều RLC nối tiếp

- φ = φu- φilà độ lệch pha giữa u và i, được xác định bằng biểu thức:

tan φ = 𝑈𝐿 − 𝑈 =

𝐶𝑅

𝑍

𝐿 − 𝑍𝐶𝑅

- cos = φ 𝑅𝑍 gọi là hệ số công suất của mạch điện

- Công suất của đoạn mạch: 𝑃 = 𝑈𝐼 cos φ

Lưu ý:

- Nếu ZL> ZC thì φ>0: u sớm pha hơn i một góc φ

- Nếu ZL< ZC thì φ<0: u trễ pha hơn i một góc φ

- Nếu ZL= ZC thì φ=0: u cùng pha với i Khi đó, tổng trở Z của mạch nhỏ nhất và cường độ dòng điện của mạch lớn nhất ( 𝐼 = )

𝑚𝑎𝑥

𝑈𝑅

4.3 Mạch điện xoay chiều RLC nối tiếp

- Đặt một điện áp xoay chiều u = U0.cos( ωt + φu) vào hai đầu đoạn mạch RLC

mắc nối tiếp

- Định luật Ohm trong mạch điện xoay chiều chỉ có tụ điện

= hay =

𝐼0

4.4 Tổng trở toàn mạch

Định nghĩa

- Tổng trở đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện xoay chiều của toàn mạch

Công thức

- Trong hệ SI, tổng trở có đơn vị là Ω

tần số và lệch pha góc φ so với cường độ dòng điện i.

IV Thí nghiệm khảo sát đoạn mạch điện xoay chiều RLC mắc nối tiếp

Hình 4.2 Dụng cụ thực hành khảo sát đoạn mạch RLC mắc nối tiếp

➢ Sơ đồ thí nghiệm khảo sát từ các dụng cụ thực hành trên như sau:

Bảng 4.3 Sơ đồ thí nghiệm khảo sát mối quan hệ U và I trong đoạn

mạch RLC mắc nối tiếp Nguồn: SGK Chuyên đề Vật lý 12 Chân trời sáng tạo (trang 12)

3 Tiến hành thí nghiệm

- Đề xuất quy trình thí nghiệm từ các dụng cụ thực hành trên như sau

Hình 4.4 Quy trình thực hiện thí nghiệm

Bảng 4.6 Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của I theo U trong mạch điện xoay

chiều RLC

➢ Nhận xét: Điện áp (U) càng lớn thì cường độ (I) càng lớn

➔ Cường độ dòng điện tỉ lệ thuận với điện áp

➢ Theo lí thuyết: 𝐼 = 𝑈𝑍 , từ công thức này ta cũng thấy được rằng I tỉ lệ thuận với U

➔ Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của I theo U trong mạch điện RLC nối tiếp cho thấy mối liên hệ tỉ lệ thuận giữa I và U phù hợp với kết quả lí thuyết đã biết

V Kết luận

● Ưu điểm của dòng điện xoay chiều

- Khả năng truyền tải điện:Dòng điện xoay chiều(AC) có thể dễ dàng biến đổi

thành điện cao thế thông qua máy biến áp, giảm khả năng mất năng lượng trong quá trình truyền tải ở một khoảng cách xa Qua đó sẽ tiết kiệm hơn trong việc truyền tải điện

- Khả năng chuyển đổi điện áp: máy biến áp có thể dễ dàng biến đổi dòng điện

tùy theo mức độ cần thiết( cao hơn hoặc thấp hơn ) để phù hợp trong việc sử dụng đa dạng các loại thiết bị( đồ dùng trong nhà: quạt, tivi,máy lạnh) hay cung cấp điện cho các nhà máy

- Chi phí bảo trì thấp: Động cơ điện xoay chiều yêu cầu ít sự bảo trì và sửa

chữa hơn động cơ điện một chiều

● Nhược điểm của dòng điện xoay chiều

- Nguy cơ an toàn: Dòng điện xoay chiều nguy hiểm hơn dòng điện một chiều ở

điện áp cao do hiệu ứng da( Trong điện từ học , hiệu ứng bề mặt là xu hướng

của dòng điện xoay chiều (AC) phân bố bên trong một dây dẫn sao cho mật độ dòng điện lớn nhất gần bề mặt của dây dẫn và giảm theo cấp số nhân khi đi sâu vào bên trong dây dẫn Nó được gây ra bởi các dòng điện xoáy đối nghịch được tạo ra bởi từ trường thay đổi do dòng điện xoay chiều tạo ra Dòng điện

chủ yếu chảy ở bề mặt của dây dẫn, giữa bề mặt ngoài và một mức gọi là

độ sâu bề mặt ), khiến dòng điện chảy trên bề mặt của các dây dẫn, tăng nguy

cơ bị điện giật

- Ứng dụng hạn chế: Dòng điện xoay chiều không phù hợp cho một số ứng

dụng như điện phân, mạ điện và sạc pin, nơi mà dòng điện một chiều phù hợp hơn

- Thiết bị phức tạp: Hệ thống AC thường yêu cầu thiết bị phức tạp hơn, chẳng

hạn như máy biến áp và bộ biến đổi, có thể làm tăng chi phí và yêu cầu bảo trì

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Phạm Nguyễn Thành Vinh, Phùng Việt Hải, Chuyên đề học tập Vật lí 12 “Bài 1 Các đặc trưng của dòng điện xoay chiều” NXB Giáo Dục Việt Nam 2024, trang 5-12

2 Khảo sát mối quan hệ giữa điện áp hiệu dụng và cường độ dòng điện hiệu dụng VietJack, 2024

3 Báo cáo kết quả thí nghiệm Loigiaihay, 2024

4 AC & DC WHAT'S THE DIFFERENCE? oe electrics.co, 2022

5 TRANSFORMERS Iowa State University, 2020

6 Advantages and Disadvantages of AC System SCRIBD, 2021

7 Đại cương dòng điện xoay chiều VatLy247, 2015

8 Dòng điện xoay chiều là gì? Vuihoc, 2019