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. Khi hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch biến thiên theo thời gian theo dạng sin hoặc cosin, ta gọi đó là điện áp xoay chiều. Dòng điện sinh ra trong mạch khi đó cũng biến thiên theo hàm sin hoặc cosin và được gọi là dòng điện xoay chiều hình sin, hay dòng điện xoay chiều.

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

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)

Trong đó:

• $u$ 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.
• \(\left(\omega t+\varphi_u\right)\) 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.

3. Giá trị hiệu dụng

Mối liên hệ giữa giá trị hiệu dụng $I$ và giá trị cực đại \(I_0\) của cường độ dòng điện xoay chiều:

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

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 \(\overrightarrow{B}\).

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. Nếu khung dây dẫn MNPQ có $N$ vòng dây thì \(E_0=NBS\omega\).
• \(\varphi_0\) là pha ban đầu của suất điện động.

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 khung dây với điện trở thuần tạo mạch kín, xuất hiện dòng điện xoay chiều có tần số bằng tần số của suất điện động 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 dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và gồm hai bộ phận chính:

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

- Phần ứng: gồm các cuộn dây dẫn, nơi phát sinh suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động.

Trong cấu tạo:

- Một phần được giữ cố định gọi là stato.

- Phần còn lại quay quanh trục gọi là rôto.

Hoạt động

Cách 1: Stato là nam châm – Rôto là khung dây quay trong từ trường

- Dẫn điện ra ngoài bằng hai vành khuyên gắn vào hai đầu khung dây và quay cùng khung.

- Mỗi vành khuyên tiếp xúc với một chổi quét tì vào, từ đó dòng điện truyền ra mạch ngoài.

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

Cách 2: Rôto là nam châm quay – Stato là cuộn dây có lõi sắt đặt cố định thành vòng tròn

- Dòng điện cảm ứng sinh ra trong các cuộn dây stato và được dẫn trực tiếp ra mạch ngoài, không cần vành khuyên và chổi quét.

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, cung cấp điện cho nhà máy, xí nghiệp sản xuất, nơi tiêu thụ.

Để giảm hao phí điện năng khi truyền tải, điện áp cần được tăng lên trước khi truyền đi và hạ xuống khi đến nơi tiêu thụ cho phù hợp với nhu cầu sử dụng. Thiết bị thực hiện việc điều chỉnh điện áp này là máy biến áp.

Ứng dụng trong đời sống:

- Thiết bị gia dụng như quạt điện, đèn, động cơ chuyển hóa điện năng phục vụ sinh hoạt, lao động, sản xuất.

Ứng dụng trong y học:

- Vận hành thiết bị y tế như máy X-quang, MRI, siêu âm, máy sốc điện, máy điện tim,… giúp chẩn đoán và điều trị bệnh.

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 biển báo an toàn điện.

- Không chạm tay vào chỗ hở của dây điện hoặc cầm vật kim loại cắm vào ổ điện.

- Tránh xa khu vực có điện thế nguy hiểm.

- Kiểm tra, bảo trì thiết bị điện định kì đúng hướng dẫn.

- Ngắt nguồn điện khi có thiên tai, sấm sét để phòng sự cố.