Đại cương về dòng điện xoay chiều SVIP

1. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

➤ Khái niệm

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.

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa theo thời gian.

➤ Điện áp xoay chiều và cường độ dòng điện xoay chiều

Nếu nối hai đầu của khung dây dẫn MNPQ với đoạn mạch tiêu thụ điện thì giữa hai đầu đoạn mạch có một hiệu điện thế. Hiệu điện thế này biến thiên theo thời gian theo quy luật dạng cosin (hoặc sin) gọi là hiệu điện thế xoay chiều hay điện áp xoay chiều. Điện áp xoay chiều có cùng chu kì, tần số với suất điện động xoay chiều và có dạng:

\(u=U_0cos\left(\omega t+\varphi_u\right)\) (V)        (2)

Khi đó, dòng điện chạy qua mạch điện tiêu thụ là dòng điện xoay chiều có dạng:

\(i=I_0cos\left(\omega t+\varphi_i\right)\) (A)        (3)

Trong các biểu thức (2) và (3):

• $u$ và $i$ tương ứng là giá trị điện áp tức thời và cường độ dòng điện tức thời tại thời điểm $t$.
• \(U_0\) và \(I_0\) tương ứng là giá trị cực đại của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.
• \(\omega\) là tần số góc của dòng điện xoay chiều, có đơn vị là rad/s.
• \(\varphi_u,\varphi_i\) lần lượt là pha ban đầu của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.

Các đại lượng \(\left(\omega t+\varphi_u\right)\) và \(\left(\omega t+\varphi_i\right)\) là pha của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều; \(\Delta\varphi=\varphi_u-\varphi_i\) gọi là độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.

Dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa với thời gian theo quy luật của hàm cosin (hoặc sin) như biểu thức (3), gọi là dòng điện xoay chiều.

2. CÁC 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:

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

3. ỨNG DỤNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU TRONG CUỘC SỐNG

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.

Để giảm hao phí trong quá trình truyền tải một cách hiệu quả nhất thì trước khi truyền tải, điện áp cần được tăng lên. Khi đến nơi tiêu thụ, điện áp được hạ xuống để phù hợp với mục đích sử dụng. Thiết bị điều chỉnh điện áp trong quá trình truyền tải là máy biến áp.

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

4. QUY TẮC AN TOÀN ĐIỆN

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

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

2. Mối liên hệ giữa giá trị hiệu dụng và giá trị cực đại của dòng điện và điện áp xoay chiều lần lượt là: \(I=\dfrac{I_0}{\sqrt{2}}\) và \(U=\dfrac{U_0}{\sqrt{2}}\).

3. Dòng điện xoay chiều có ưu thế trong việc truyền tải điện năng đi xa nên được sử dụng phổ biến.

4. Cần tuân thủ các quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều.