Đại cương về dòng điện xoay chiều SVIP

I. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

1. Khái niệm dòng điện xoay chiều và điện áp xoay chiều

Sơ đồ một đoạn mạch điện xoay chiều

Xét một đoạn mạch điện tiêu thụ như hình trên, giữa hai đầu đoạn mạch có một hiệu điện thế biến thiên theo thời gian theo định luật dạng sin hay cosin, được gọi là hiệu điện thế xoay chiều hay điện áp xoay chiều. Trong đoạn mạch xuất hiện dòng điện có cường độ biến thiên theo thời gian theo định luật dạng sin hay cosin. Dòng điện này được gọi là dòng điện xoay chiều hình sin, gọi tắt là dòng điện xoay chiều.

2. Chu kì, tần số, giá trị cực đại của cường độ dòng điện và điện áp xoay chiều

Dạng tổng quát của điện áp xoay chiều giữa hai đầu một đoạn mạch và cường độ dòng điện xoay chiều qua nó là

\(u=U_0cos\left(\omega t+\varphi_u\right)\)

\(i=I_0cos\left(\omega t+\varphi_i\right)\)

Trong đó:

+ $u$ là điện áp tức thời giữa hai đầu đoạn mạch ở thời điểm $t$, đơn vị đo là vôn (V).

+ $i$ là cường độ dòng điện tức thời chạy qua đoạn mạch ở thời điểm $t$, đơn vị đo là ampe (A).

+ \(U_0\) và \(I_0\) lần lượt là giá trị cực đại của điện áp và giá trị cực đại của cường độ dòng điện.

+ \(\omega\) là tần số góc, \(T=\dfrac{2\pi}{\omega}\) là chu kì và \(f=\dfrac{\omega}{2\pi}\) là tần số của điện áp và cường độ dòng điện.

+ \(\left(\omega t+\varphi_u\right)\) và \(\left(\omega t+\varphi_i\right)\) lần lượt được gọi là pha của điện áp $u$ và pha của cường độ dòng điện $i$, với \(\varphi_u\) và \(\varphi_i\) là pha ban đầu tương ứng.

Đại lượng: 

\(\varphi=\varphi_u-\varphi_i\)

gọi là độ lệch pha của điện áp so với cường độ dòng điện.

• Nếu \(\varphi>0\) thì điện áp sớm pha so với cường độ dòng điện.
• Nếu \(\varphi< 0\) thì điện áp muộn (trễ) pha so với cường độ dòng điện.
• Nếu \(\varphi=0\) thì điện áp đồng pha với cường độ dòng điện.

3. Giá trị hiệu dụng

Dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng nhiệt như dòng điện không đổi.

Cho dòng điện xoay chiều có cường độ \(I=I_0cos\left(\omega t+\varphi_i\right)\) (A) chạy qua đoạn mạch chỉ có điện trở $R$, nhiệt lượng tỏa ra trong thời gian $t$ (đủ lớn so với chu kì $T$ của dòng điện) là $Q$.

Cho dòng điện không đổi có cường độ $I$ chạy qua điện trở nói trên trong cùng khoảng thời gian $t$ sao cho nhiệt lượng tỏa ra cũng bằng $Q$.

Người ta đã thiết lập được mối liên hệ giữa giá trị $I$ và giá trị cực đại \(I_0\) của cường độ dòng điện xoay chiều:

\(I=\dfrac{I_0}{\sqrt{2}}\)

Đại lượng $I$ gọi là giá trị hiệu dụng của cường độ dòng điện xoay chiều hay cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều.

Mối liên hệ giữa giá trị hiệu dụng $U$ và giá trị cực đại $U_0$ của điện áp xoay chiều:

\(U=\dfrac{U_0}{\sqrt{2}}\)

II. PHƯƠNG PHÁP TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

Xét một khung dây dẫn MNPQ có diện tích $S$, quay đều với tốc độ góc \(\omega\) quanh một trục OO' vuông góc với các đường sức của một từ trường đều có cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\).

Do hiện tượng cảm ứng điện từ, trong khung dây xuất hiện một suất điện động biến đổi theo thời gian:

\(e=E_0cos\left(\omega t+\varphi_0\right)\)     (1)

Trong đó: \(E_0=BS\omega\) là suất điện động cực đại trong khung dây; \(\varphi_0\) là pha ban đầu của suất điện động.

Nếu khung dây dẫn MNPQ có $N$ vòng dây thì suất điện động cực đại của khung dây là \(E_0=NBS\omega\).

Suất điện động biến đổi theo thời gian theo định luật dạng cosin (hoặc sin) trong biểu thức (1) được gọi là suất điện động xoay chiều. Chu kì $T$ và tần số $f$ của suất điện động liên hệ với tần số góc \(\omega\) bởi các hệ thức:

\(T=\dfrac{2\pi}{\omega}\) (s); \(f=\dfrac{\omega}{2\pi}\) (Hz)

Khi nối hai đầu khung dây dẫn trên với điện trở thuần $R$ tạo thành mạch kín, thì dòng điện trong khung dây dẫn biến thiên theo thời gian với tần số bằng tần số của suất điện động xoay chiều. Dòng điện này gọi là dòng điện xoay chiều.

Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ là làm cho từ thông qua khung dây dẫn biến thiên điều hòa theo thời gian.

 2. Máy phát điện xoay chiều một pha

Cấu tạo

Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, có hai bộ phận chính là phần cảm và phần ứng. Một trong hai bộ phận chính được đặt cố định, gọi là stato, phần còn lại quay quanh một trục, gọi là rôto.

- Phần cảm là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu dùng để tạo ra từ trường.

- Phần ứng là các cuộn dây dẫn, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động.

Hoạt động

Các máy điện xoay chiều hoạt động theo cách thứ nhất có stato là nam châm đặt cố định, rôto là khung dây quay quanh một trục trong từ trường tạo bởi stato. Để dẫn điện ra ngoài thì cần có hai vành khuyên, trong đó mỗi vành khuyên được gắn chặt vào một đầu của khung dây. Cả hai vành khuyên này được đặt đồng trục với trục quay của khung dây và cùng quay với khung dây.

 Mô tả nguyên tắc hoạt động của máy phát điện xoay chiều theo cách thứ nhất

Khi máy hoạt động, mỗi vành khuyên có một chổi quét tì vào nên khi khung dây quay, hai vành khuyên trượt trên hai chổi quét, dòng điện truyền từ khung dây qua hai chổi quét ra mạch ngoài.

Các máy phát điện xoay chiều hoạt động theo cách thứ hai có rôto là nam châm, thường là nam châm điện được nuôi bởi dòng điện một chiều (các cuộn dây của rôto cũng có lõi sắt và xếp thành vòng tròn) và stato gồm nhiều cuộn dây có lõi sắt, xếp thành một vòng tròn thì không cần vành khuyên và chổi quét, mà dòng điện được dẫn trực tiếp ra mạch ngoài bởi các cuộn dây đặt cố định.

III. SỬ DỤNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Tác dụng và ứng dụng của dòng điện xoay chiều

Dòng điện xoay chiều có ưu thế trong việc truyền tải điện năng đi xa, dẫn điện đến các nhà máy, xí nghiệp sản xuất, nơi tiêu thụ có sử dụng dòng điện xoay chiều.

Dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống là nhờ vào các tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng phát sáng và tác dụng sinh lí của nó.

Các thiết bị như quạt điện, động cơ điện, đèn điện,... đã chuyển hoá năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác nhằm đáp ứng các nhu cầu sống, sinh hoạt, lao động, sản xuất,... của con người.

Trong y học, dòng điện xoay chiều được sử dụng để vận hành các thiết bị y tế bao gồm: máy chẩn đoán hình ảnh (như máy chụp cộng hưởng từ, máy siêu âm, máy chụp X - quang) hoặc các máy hỗ trợ điều trị bệnh nhân (như máy sốc điện, máy điện tim),...

Máy chụp X-quang

2. Tuân thủ quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều

Để cảnh báo về an toàn điện, người ta đã đưa ra các biển báo an toàn điện.

Biển cảnh báo an toàn điện

Một số quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều:

• Tuân thủ theo các biển báo an toàn điện.
• Tuyệt đối không chạm tay vào chỗ hở của đường dây điện hay cầm trực tiếp vật bằng kim loại cắm vào ổ điện.
• Tránh lại gần những khu vực có điện thế nguy hiểm.
• Kiểm tra, bảo trì các thiết bị điện định kì theo đúng hướng dẫn.
• Ngắt nguồn điện khi có thiên tai, sấm sét.

1. Nguyên tắc hoạt động của các loại máy phát điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: Khi từ thông qua một khung dây biến thiên điều hòa, trong khung dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng xoay chiều.

2. Các máy phát điện xoay chiều đều có hai bộ phận chính là phần ứng và phần cảm.

3. Công thức tổng quát của điện áp xoay chiều giữa hai đầu một đoạn mạch là:

\(u=U_0cos\left(\omega t+\varphi_u\right)\)

Công thức tổng quát của cường độ dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch là:

\(i=I_0cos\left(\omega t+\varphi_i\right)\)

Độ lệch pha của điện áp so với cường độ dòng điện là:

\(\varphi=\varphi_u-\varphi_i\)