Không giống như dòng điện một chiều, dòng điện xoay chiều có sự biến đổi giá trị theo thời gian, chính vì vậy mà khi tìm hiểu về dòng xoay chiều sẽ có nhiều tham số hơn. Và phản ứng của các phần tử thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn dây sẽ bị ảnh hưởng bởi yếu tố biên thiên xoay chiều, như: công suất, điện cảm, điện dung…
1. Khái niệm về dòng điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều và giá trị biến đổi theo thời gian, những thay đổi này thường tuần hoàn theo một chu kỳ nhất định.
Ở trên là các dòng điện xoay chiều hình sin, xung vuông và xung nhọn.
Chu kỳ và tần số của dòng điện xoay chiều.
Chu kỳ của dòng điện xoay chiều ký hiệu là T là khoảng thời gian mà điện xoay chiều lặp lại vị trí cũ , chu kỳ được tính bằng giây (s)
Tần số điện xoay chiều : là số lần lặp lại trang thái cũ của dòng điện xoay chiều trong một giây ký hiệu là F đơn vị là Hz
F = 1 / T
Pha của dòng điện xoay chiều :
Nói đến pha của dòng xoay chiều ta thường nói tới sự so sánh giữa 2 dòng điện xoay chiều có cùng tần số .
* Hai dòng điện xoay chiều cùng pha là hai dòng điện có các thời điểm điện áp cùng tăng và cùng giảm như nhau:
* Hai dòng điện xoay chiều lệch pha : là hai dòng điện có các thời điểm điện áp tăng giảm lệch nhau .
* Hai dòng điện xoay chiều ngược pha : là hai dòng điện lệch pha 180 độ, khi dòng điện này tăng thì dòng điện kia giảm và ngược lại.
Biên độ của dòng điện xoay chiều
Biên độ của dòng xoay chiều là giá trị điện áp đỉnh của dòng điện.xoay chiều, biên độ này thường cao hơn điện áp mà ta đo được từ các đồng hồ
Giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều
Thường là giá trị đo được từ các đồng hồ và cũng là giá trị điện áp được ghi trên zắc cắm nguồn của các thiết bị điện tử., Ví dụ nguồn 220V AC mà ta đang sử dụng chính là chỉ giá trị hiệu dụng, thực tế biên độ đỉnh của điện áp 220V AC khoảng 220V x 1,4 lần = khoảng 300V
Công xuất của dòng điện xoay chiều.
Công xuất dòng điện xoay chiều phụ thuộc vào cường độ, điện áp và độ lệch pha giữa hai đại lượng trên , công xuất được tính bởi công thức :
P = U.I.cosα
- Trong đó U : là điện áp
- I là dòng điện
- α là góc lệch pha giữa U và I
=> Nếu dòng xoay chiều đi qua điện trở thì độ lệch pha gữa U và I là α = 0 khi đó cosα = 1 và P = U.I
=> Nếu dòng xoay chiều đi qua cuộn dây hoặc tụ điện thì độ lệch pha giữa U và I là +90 độ hoặc -90độ, khi đó cosα = 0 và P = 0 ( công xuất của dòng điện xoay chiều khi đi qua tụ điện hoặc cuộn dây là = 0)
2. Dòng điện xoay chiều đi qua R, C, L
1- Dòng điện xoay chiều đi qua điện trở
Dòng điện xoay chiều đi qua điện trở thì dòng điện và điện áp cùng pha với nhau , nghĩa là khi điện áp tăng cực đại thì dòng điện qua trở cũng tăng cực đại. như vậy dòng xoay chiều có tính chất như dòng một chiều khi đi qua trở thuần.do đó có thể áp dụng các công thức của dòng một chiều cho dòng xoay chiều đi qua điện trở
I = U / R hay R = U/I Công thức định luật ohm
P = U.I Công thức tính công xuất
2- Dòng điện xoay chiều đi qua tụ điện .
Dòng điện xoay chiều đi qua tụ điện thì dòng điện sẽ sớm pha hơn điện áp 90 độ
* Dòng xoay chiều đi qua tụ sẽ bị tụ cản lại với một trở kháng gọi là Zc, và Zc được tính bởi công thức
Zc = 1/ ( 2 x 3,14 x F x C )
- Trong đó Zc là dung kháng ( đơn vị là Ohm )
- F là tần số dòng điện xoay chiều ( đơn vị là Hz)
- C là điện dung của tụ điện ( đơn vị là µ Fara)
Công thức trên cho thấy dung kháng của tụ điện tỷ lệ nghịch với tần số dòng xoay chiều (nghĩa là tần số càng cao càng đi qua tụ dễ dàng) và tỷ lệ nghịc với điện dung của tụ ( nghĩa là tụ có điện dung càng lớn thì dòng xoay chiều đi qua càng dễ dàng)
=> Dòng một chiều là dòng có tần số F = 0 do đó Zc = ∞ vì vậy dòng một chiều không đi qua được tụ.
3- Dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây.
Khi dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây sẽ tạo ra từ trường biến thiên và từ trường biến thiên này lại cảm ứng lên chính cuộn dây đó một điện áp cảm ứng có chiều ngược lại , do đó cuộn dây có xu hướng chống lại dòng điện xoay chiều khi đi qua nó, sự chống lại này chính là cảm kháng của cuộn dây ký hiệu là ZL
ZL = 2 x 3,14 x F x L
- Trong đó ZL là cảm kháng ( đơn vị là Ohm)
- L là hệ số tự cảm của cuộn dây ( đơn vị là Henry) L phụ thuộc vào số vòng dây quấn và chất liệu lõi .
- F là tần số dòng điện xoay chiều ( đơn vị là Hz)
Từ công thức trên ta thấy, cảm kháng của cuộn dây tỷ lệ thuận với tần số và hệ số tự cảm của cuộn dây, tần số càng cao thì đi qua cuộn dây càng khó khăn => tính chất này của cuộn dây ngược với tụ điện.
=> Với dòng một chiều thì ZL của cuộn dây = 0 ohm, dó đó dòng một chiều đi qua cuộn dây chỉ chịu tác dụng của điện trở thuần R mà thôi ( trở thuần của cuộn dây là điện trở đo được bằng đồng hồ vạn năng ), nếu trở thuần của cuộn dây khá nhỏ thì dòng một chiều qua cuộn dây sẽ bị đoản mạch.
* Dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây thì dòng điện bị chậm pha so với điện áp 90 độ nghĩa là điện áp tăng nhanh hơn dòng điện khi qua cuộn dây .
=>> Do tính chất lệch pha giữa dòng điện và điện áp khi đi qua tụ điện và cuộn dây, nên ta không áp dụng được định luật Ohm vào mạch điện xoay chiều khi có sự tham gia của L và C được.
=>> Về công xuất thì dòng xoay chiều không sinh công khi chúng đi qua L và C mặc dù có U > 0 và I >0.
4- Tổng hợp hai dòng điện xoay chiều trên cùng một mạch điện
* Trên cùng một mạch điện , nếu xuất hiện hai dòng điện xoay chiều cùng pha thì biên độ điện áp sẽ bằng tổng hai điện áp thành phần.
* Nếu trên cùng một mạch điện , nếu xuất hiện hai dòng điện xoay chiều ngược pha thì biên độ điện áp sẽ bằng hiệu hai điện áp thành phần.
