Dòng điện xoay chiều là gì? Công thức tính dòng điện xoay chiều kèm VD

Dòng điện xoay chiều là một trong những kiến thức vật lý được áp dụng khá nhiều trên thực tiễn. Chính vì vậy, Hyundai Smart Phone sẽ chia sẻ lý thuyết dòng điện xoay chiều là gì, ký hiệu, cách tạo ra dòng điện xoay chiều, tác dụng của dòng điện xoay chiều và công thức tính dòng điện xoay chiều kèm theo bài tập minh họa để các bạn cùng tham khảo

Khái niệm dòng điện xoay chiều là gì?

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều biến thiên tuần hoàn và cường độ biến thiên điều hoà theo thời gian, những thay đổi này thường tuần hoàn theo một chu kỳ nhất định. Dòng điện xoay chiều được tạo ra do biến đổi nguồn điện một chiều hoặc tư các máy phát điện xoay chiều.

Trong gia đình, dòng điện xoay chiều thường sử dụng cho các thiết bị điện lạnh như điều hòa nóng lạnh, máy giặt, tủ lạnh…

Ký hiệu của dòng điện xoay chiều

Ký hiệu của dòng điện xoay chiều được viết tắt là AC. Dòng điện AC có ký hiệu là dấu “~” có nghĩa là tượng trưng cho mức điện áp hình sin.

Tham khảo thêm: Cường độ dòng điện là gì? Công thức tính cường độ dòng điện kèm VD

Cách tạo ra dòng điện xoay chiều

Có hai cách để tạo ra dòng điện xoay chiều cụ thể như sau:

• Cách 1: Cho nam châm quay trước cuộn dây.
• Cách 2: Cho cuộn dây quay trong từ trường của nam châm

Tác dụng của dòng điện xoay chiều

Giống như dòng điện một chiều, dòng điện xoay chiều cũng có các tác dụng nhiệt, tác dụng phát sáng, tác dụng từ. Một điểm khác với dòng điện một chiều là đối với dòng điện xoay chiều, khi dòng điện đổi chiều thì lực từ tác dụng lên nam châm cũng đổi chiều.

1. Tác dụng nhiệt

Đây là tác dụng tiêu biểu nhất của dòng điện xoay chiều bởi vì khi dòng điện đi qua vật dẫn sẽ làm cho vật đó nóng lên. Trong đời sống hàng ngày, các thiết bị điện sử dụng dòng điện xoay chiều và sinh ra nhiệt như tử bếp, đèn sưởi, bếp điện, bàn ủi….

2. Tác dụng quang

Đây là một trong những tác dụng hữu ích nhất dành cho con người. Khi các bóng đèn led, đèn huỳnh quang có dòng điện xoay chiều đi qua sẽ khiến cho cường độ dòng điện trong bóng lớn để thắp sáng như: đèn sợi đốt, đèn của bút thử điện, đèn báo ở các thiết bị,..

3. Tác dụng từ

Khi bạn tiến hành một thí nghiệm cho dòng điện đi qua một cục nam châm điện sẽ thấy nam châm hút được những cục nam vĩnh cửu. Như vậy, dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng từ. Trong thực tế, tác dụng từ của dòng điện xoay chiều được ứng dụng nhiều như: nam châm điện, chuông điện, rơ le điện,…

Sự khác biệt giữa dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều

Dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều cũng có những ứng dụng và biểu hiện khác nhau dễ phân biệt như:

• Dòng điện một chiều có tần số trực tiếp bằng 0 nên chỉ có thể chảy theo một hướng nhất định. Ngược lại, nguồn phát dòng điện xoay chiều thường có tần số là 50Hz và 60Hz, nên có thể đảo ngược
• Trong các bản vẽ mạch điện của dòng điện một chiều là đường thẳng trong khi đó dòng điện xoay chiều được biểu thị dưới dạng sóng hình sin, hình tam giác, hình vuông hay hình thang.
• Dòng điện xoay chiều được các nhà máy phát điện và các máy phát điện sản xuất ra nhằm phục vụ đời sống sinh họat hằng ngày, vì dòng điện xoay chiều có thể dễ dàng truyền tải đi xa. Ngược lại với dòng điện xoay chiều, dòng điện một chiều được sản xuất từ ắc quy, pin hoặc năng lượng mặt trời,… điều này là nguyên nhân không thể truyền tải điện năng đi xa vì mất khá nhiều năng lượng.

Công thức tính dòng điện xoay chiều

P = U.I.cosα

Trong đó:

• P: biểu hiện cho công suất của dòng điện xoay chiều (W)
• U: là điện áp (V)
• I: là cường độ dòng điện (A)
• α: chính là độ lệch pha giữa cường độ của dòng điện và điện áp

Công thức tính chu kỳ của dòng điện xoay chiều

Chu kỳ của dòng điện xoay chiều là khoảng thời gian mà dòng điện xoay chiều trở lại vị trí ban đầu. Chu kỳ của dòng điện xoay chiều được tính như sau:

T = 1/F

Trong đó:

• T: Chu kỳ của dòng điện xoay chiều (s)
• F: Tần số của dòng điện xoay chiều (hz)

Tham khảo thêm: Công thức tính định luật Ôm và các dạng bài tập có lời giải chuẩn 100%

Công thức tính tần số của dòng điện xoay chiều

Tần số điện xoay chiều là đại lượng thể hiện số lần lặp lại trang thái cũ của dòng điện xoay chiều trong một giây. Công thức tính như sau:

F = 1/T

Trong đó:

• T: Chu kỳ của dòng điện xoay chiều (s)
• F: Tần số của dòng điện xoay chiều (hz)

Tham khảo thêm: Điện trở là gì? Công thức tính điện trở kèm bài tập có lời giải từ A – Z

Các dạng bài tập về dòng điện xoay chiều có lời giải

1. Dạng 1: Xác định từ thông và suất điện động

Phương pháp: Áp dụng các công thức:

• Từ thông: Φ = NBScos(ωt + φ) = Φocos(ωt + φ)(Wb);
• Suất điện động: e = Eocos(ωt + φo). Trong đó Eo = NBωS
• Chu kì và tần số liên hệ bởi:ω = 2π/T = 2πf = 2πn với n là số vòng quay trong 1 s
• Suất điện động do các máy phát điện xoay chiều tạo ra cũng có biểu thức tương tự như trên.
• Khi trong khung dây có suất điện động thì 2 đầu khung dây có điện áp xoay chiều . Nếu khung chưa nối vào tải tiêu thụ thì suất điện động hiệu dụng bằng điện áp hiệu dụng 2 đầu đoạn mạch

Ví dụ: Một khung dây dẫn phẳng có diện tích S = 50 cm², có N = 100 vòng dây, quay đều với tốc độ 50 vòng/giây quanh một trục vuông góc với các đường sức của một từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,1 T. Chọn gốc thời gian t = 0 là lúc vectơ pháp tuyến n của diện tích S của khung dây cùng chiều với vectơ cảm ứng từ B và chiều dương là chiều quay của khung dây.

a) Viết biểu thức xác định từ thông qua khung dây.

b) Viết biểu thức xác định suất điện động e xuất hiện trong khung dây.

c) Vẽ đồ thị biểu diễn sự biến đổi của e theo thời gian.

Lời giải:

a) Khung dây dẫn quay đều với tốc độ góc :

ω = 50.2π = 100π rad/s

Tại thời điểm ban đầu t = 0, vectơ pháp tuyến n của diện tích S của khung dây có chiều trùng với chiều của vectơ cảm ứng từ B của từ trường. Đến thời điểm t, pháp tuyến n của khung dây đã quay được một góc bằng ωt . Lúc này từ thông qua khung dây là :

Φ = NBS cos(ωt)

Như vậy, từ thông qua khung dây biến thiên điều hoà theo thời gian với tần số góc ω và với giá trị cực đại (biên độ) là Φo = NBS.

Thay N = 100, B = 0,1 T, S = 50 cm² = 50. 10^-4 m² và ω = 100π rad/s ta được biểu thức của từ thông qua khung dây là : Φ = 0,05cos(100πt)(Wb)

b) Từ thông qua khung dây biến thiên điều hoà theo thời gian, theo định luật cảm ứng điện từ của Faraday thì trong khung dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng.

Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây được xác định theo định luật Lentz :

Như vậy, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây biến đổi điều hoà theo thời gian với tần số góc ω và với giá trị cực đại (biên độ) là Eo = ωNBS.

Thay N = 100, B = 0,1 T, S = 50 cm² = 50. 10^-4 m² và ω = 100π rad/s ta được biểu thức xác định suất điện động xuất hiện trong khung dây là :

2. Dạng 2: Cách xác định các đại lượng đặc trưng của dòng điện xoay chiều

Phương trình tổng quát của dòng điện xoay chiều: i = Iocos(ωt + φ). Trong đó:

• i: giá trị của cường độ dòng điện tại thời điểm t, được gọi là giá trị tức thời của i (cường độ tức thời).
• Io > 0: giá trị cực đại của i (cường độ cực đại).
• ω > 0: tần số góc.
• f: tần số của i. T: chu kì của i.
• (ωt + φ): pha của i.
• φ: pha ban đầu (tại thời điểm t = 0).

Tại thời điểm t, dòng điện đang tăng nghĩa là i’ > 0 và ngược lại.

Giá trị hiệu dụng : Ngoài ra, đối với dòng điện xoay chiều, các đại lượng như điện áp, suất điện động, cường độ điện trường, … cũng là hàm số sin hay cosin của thời gian, với các đại lượng này

Nhiệt lượng toả ra trên điện trở R trong thời gian t nếu có dòng điện xoay chiều i(t) = Iocos(ωt + φi) chạy qua là Q = RI²t

Công suất toả nhiệt trên R khi có dòng điện xoay chiều chạy qua P = RI²

Ví dụ 1: Một dòng điện xoay chiều có cường độ i = 2√2cos(100πt + π/6). Chọn phát biểu sai.

A. Cường độ hiệu dụng bằng 2 (A) .

B. Chu kỳ dòng điện là 0,02 (s).

C. Tần số là 100π.

D. Pha ban đầu của dòng điện là π/6.

Lời giải:

Dòng xoay chiều có i = 2√2cos(100πt + π/6), quy về dạng i = Iocos(ωt + φ) ta có:

Io = 2√2 → I = 2(A)

ω = 100π (rad/s) → f = ω/2n = 50(Hz), T = 1/f = 0,02(s)

φ = π/6

Căn cứ vào đó ta thấy đáp án C là đáp án cần chọn.

Ví dụ 2: Một mạng điện xoay chiều 220 V – 50 Hz, khi chọn pha ban đầu của điện áp bằng không thì biểu thức của điện áp có dạng là gì?

Lời giải

Điện áp hiệu dụng U = 220 V ⇒ điện áp cực đại U0 = 220√2 V

Pha ban đầu bằng 0 ⇒ φ = 0

f = 50 Hz ⇒ ω = 2π.50 = 100π Hz ⇒ u = 220√2cos(100πt) V

3. Dạng 3: Tính Công suất của dòng điện xoay chiều

Phương pháp: Áp dụng công thức: P = U.I.cosα = ½U₀I₀cosα = P_max.cos²α =I²R

Ví dụ 1: Đặt điện áp u = 100√2cos(100πt) vào hai đầu đoạn mạch RLC không phân nhánh với L, R có độ lớn không đổi và C = 1/20π mF. Khi đó hiệu điện thế hiệu dụng giữa hai đầu mỗi phần tử R, L và C có độ lớn như nhau. Công suất tiêu thụ của đoạn mạch là bao nhiêu?

Lời giải:

Do điện áp hai đầu mỗi phần tử bằng nhau nên ta có:

U_R = U_L = U_C

→ I. R = I. Z_L = I. Z_C

→ R = Z_L = Z_C

Khi đó hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra.

Mà ZC = 1/ ωC nên R = 200Ω .

Công suất tiêu thụ của đoạn mạch:

Ví dụ 2: Đoạn mạch xoay chiều gồm điện trở thuần R, cuộn dây thuần cảm L và tụ điện có điện dung C thay đổi được. Điện áp đặt vào hai đầu mạch có tần số 50 Hz. Ban đầu độ lệch pha giữa điện áp giữa hai đầu mạch và dòng điện là 60° thì công suất tiêu thụ trong mạch là 50 W. Thay đổi C để điện áp giữa hai đầu mạch cùng pha với i thì mạch tiêu thụ công suất là bao nhiêu?

Lời giải

Sau khi đọc xong bài viết của chúng tôi có thể giúp các bạn biết được dòng điện xoay chiều là gì và công thức tính dòng điện xoay chiều để áp dụng vào làm bài tập nhanh chóng và chính xác nhất. Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết của chúng tôi