Bài 4. Đại cương về dòng điện xoay chiều

I. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

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

Xét một đoạn mạch tiêu thụ điện như Hình 4.1, 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

\(u=U_0cos\left(\omega t+\varphi_u\right)\)   (4.1)

\(i=I_0cos\left(\omega t+\varphi_i\right)\)   (4.2)

Trong công thức (4.1) và (4.2):

+ 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).

+ U₀ và I₀ lần lượt là giá trị cực đại của điện áp và giá trị cực đại của cường độ dòng điện.

+ ω được gọi là tần số góc, \(T=\dfrac{2\pi}{\omega}\) là chu kì và \(f=\dfrac{\omega}{2\pi}\) 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

\(\Delta\varphi=\varphi_u-\varphi_i\)   (4.3)

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

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

3. Giá trị hiệu dụng

Thực nghiệm chứng tỏ rằng dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng nhiệt như dòng điện không đổi. Khi cho dòng điện xoay chiều chạy qua một dây dẫn có điện trở R thì dây dẫn nóng lên, tức là có nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn. Nhiệt lượng này bằng năng lượng tiêu thụ ở điện trở R.

Nếu cho dòng điện không đổi có cường độ I và dòng điện xoay chiều có cường độ là \(\dfrac{I_0}{\sqrt{2}}\), với \(I_0\) là cường độ dòng điện cực đại, lần lượt đi qua cùng một điện trở R thì sau một khoảng thời gian bằng nhau đủ dài, nhiệt lượng toả ra trong hai trường hợp này là bằng nhau.

Giá trị

\(I=\dfrac{I_0}{\sqrt{2}}\)   (4.4)

được gọi là cường độ độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều.

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.

Ngoài ra, người ta cũng sử dụng giá trị hiệu dụng với điện áp và suất điện động xoay chiều.

Giá trị hiệu dụng = (Giá trị cực đại)/\(\sqrt{2}\)

Ví dụ:

Giá trị, hiệu dụng của điện áp xoay chiều là 

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

Giá trị hiệu dụng của suất điện động xoay chiều là

\(E=\dfrac{E_0}{\sqrt{2}}\)

II. PHƯƠNG PHÁP TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi từ thông qua một khung dây dẫn biến thiên điều hoà, trong khung dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng cũng biến thiên điều hoà.

Cho một khung dây dẫn phẳng có diện tích S quay đều với tốc độ góc ω quanh một trục vuông góc với các đường sức của một từ trường đều có cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\) (Hình 4.1).

Theo định luật cảm ứng điện từ, trong khung dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng xoay chiều.

Nếu khung dây kín thì trong khung dây có dòng điện xoay chiều. Đây cũng là nguyên lí hoạt động của máy phát điện xoay chiều.

Trong thực tế, có hai cách tạo ra suất điện động xoay chiều thường dùng trong các máy phát điện.

+ Từ trường cố định, các cuộn dây của máy phát quay trong từ trường.

+ Từ trường quay, các cuộn dây của máy phát được đặt cố định.

2. Máy phát điện xoay chiều một pha

Cấu tạo

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

+ Phần cảm là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu. Phần này tạo ra từ trường.

+ Phần ứng là những cuộn dây, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động.

Một trong hai phần được đặt cố định, phần còn lại quay quanh một trục. Phần cố định được gọi là stato, phần quay là rotato (rôto).

Hoạt động

Các máy phát điện xoay chiều một pha có thể hoạt động theo hai cách.

+ Phần ứng quay, phần cảm cố định

Các máy hoạt động theo cách này có stato là nam châm đặt cố định, rotato là khung dây quay quanh một trục trong từ trường tạo bởi stato.

Để dẫn dòng điện ra mạch ngoài, người ta dùng hai vành khuyên đặt đồng trục và cùng quay với khung dây (Hình 4.3).

Mỗi vành khuyên có một thanh quét ép sát. Khi khung dây quay, hai vành khuyên trượt trên hai thanh quét, dòng điện truyền từ khung dây qua hai thanh quét ra mạch ngoài.

+ Phần cảm quay, phần ứng cố định

Các máy hoạt động theo cách này có rotato là nam châm, thường là nam châm điện với từ trường được tạo bởi dòng điện một chiều. Các cuộn dây của rotato có lõi sắt và xếp thành vòng tròn, quay quanh trục qua tâm vòng tròn.

Stato của máy gồm nhiều cuộn dây có lõi sắt, được sắp xếp cách đều nhau thành một vòng tròn (Hình 4.4).

III. SỬ DỤNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

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

Cũng như dòng điện không đổi, dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng phát sáng, tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng hoá học, tác dụng sinh lí.

Ngoài tác dụng nhiệt và tác dụng phát sáng, tác dụng từ của dòng điện xoay chiều được ứng dụng rộng rãi trong khoa học, kĩ thuật và đời sống, là cơ sở để chế tạo các loại động cơ điện.

Cơ thể người và các động vật nói chung đều dẫn điện. Khi có dòng điện qua cơ thể thì gây ra tác dụng sinh lí ở các mức độ khác nhau. Dòng điện phù hợp được sử dụng trong cấp cứu và chữa bệnh. Tuy vậy, dòng điện xoay chiều cũng có thể gây nguy hiểm cho cơ thể, thậm chí có thể gây chết người khi bị điện giật.

Hệ thống lưới điện quốc gia của nước ta là hệ thống lưới điện xoay chiều. Dòng điện được dùng trong các gia đình, công sở, nhà máy, trường học, bệnh viện, ... chủ yếu là dòng điện xoay chiều.

Trong những ứng dụng cần dùng dòng điện một chiều, ta cũng dễ dàng chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

Một lí do quan trọng để dòng điện xoay chiều được dùng rộng rãi là điện áp xoay chiều có thể thay đổi được rất linh hoạt nhờ máy biến áp. Điều đó tạo thuận tiện cho việc sử dụng dòng điện xoay chiều ở các điện áp có trị số khác nhau, ví dụ như trong việc truyền tải điện đi xa.

Khi cần truyền tải điện đi xa thì việc làm giảm hao phí điện trên đường dây có lợi ích lớn. Công suất hao phí năng lượng điện khi truyền tải điện đi xa được tính theo công thức:

\(P_{hp}=r.I^2=r.\left(\dfrac{P_{\text{phát}}}{U}\right)^2\)

Từ công thức trên ta thấy, khi điện trở r của dây dẫn và công suất P_phát của máy phát không đổi, chỉ cần tăng điện áp U của dòng điện khi truyền tải điện thì sẽ giảm đáng kể công suất hao phí trên đường dây.  

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

Để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện xoay chiều, cần tuân thủ những quy tắc an toàn điện dưới đây:

+ Lắp đặt thiết bị đóng ngắt điện (cầu dao hay aptomat) đúng cách để ngắt dòng điện khi có chập điện hay quá tải.

+ Lựa chọn thiết bị đóng ngắt điện phù hợp với công suất sử dụng.

+ Nơi lắp đặt cầu dao, cầu chì, công tắc, ổ điện phải ở những vị trí cao, khô ráo, thuận tiện.

+ Giữ khoảng cách an toàn với những khu vực có điện áp cao.

+ Nối đất vỏ kim loại cho các thiết bị điện (máy giặt, tủ lạnh, bếp điện,...).

+ Thường xuyên kiểm tra các thiết bị, đường dây điện, thiết bị đóng ngắt bảo vệ điện trong nhà để phòng tránh các sự cố giật điện, cháy nổ....

+ Khi nhà bị ngập hoặc bị mưa bão làm tốc mái, cần ngắt cầu dao diện để đảm bảo an toàn.