Dòng điện xoay chiều là gì và nó khác với dòng điện một chiều như thế nào

Dòng điện xoay chiều Ngược lại dòng điện một chiều, liên tục thay đổi cả về cường độ và hướng, và những thay đổi này xảy ra theo chu kỳ, nghĩa là chúng lặp lại chính chúng theo những khoảng thời gian chính xác bằng nhau.

Để tạo ra dòng điện như vậy trong mạch, hãy sử dụng các nguồn dòng điện xoay chiều tạo ra EMF xoay chiều, thay đổi định kỳ về cường độ và hướng.Những nguồn như vậy được gọi là máy phát điện xoay chiều.

Trong bộ lễ phục. 1 hiển thị sơ đồ thiết bị (mô hình) đơn giản nhất máy phát điện xoay chiều. 

Một khung hình chữ nhật làm bằng dây đồng, được cố định trên trục và quay trong trường bằng bộ truyền động đai nam châm… Các đầu của khung được hàn vào các vòng đồng, quay cùng với khung, trượt trên các tấm tiếp xúc (bàn chải).

Hình 1. Sơ đồ máy phát điện đơn giản nhất

Hãy đảm bảo rằng một thiết bị như vậy thực sự là một nguồn EMF có thể thay đổi.

Giả sử một nam châm tạo ra giữa các cực của nó từ trường đều, nghĩa là, một trong đó mật độ của các đường sức từ trong mỗi phần của trường là như nhau.quay, khung đi qua các đường sức từ ở mỗi mặt a và b của nó EMF gây ra. 

Các mặt c và d của khung không hoạt động, vì khi khung quay, chúng không vượt qua các đường sức của từ trường và do đó không tham gia vào việc tạo ra EMF.

Tại bất kỳ thời điểm nào, EMF xảy ra ở bên a ngược hướng với EMF xảy ra ở bên b, nhưng trong khung, cả hai EMF đều hoạt động theo và cộng vào EMF tổng, tức là được tạo ra bởi toàn bộ khung.

Điều này rất dễ kiểm tra nếu chúng ta sử dụng quy tắc bàn tay phải mà chúng ta biết để xác định hướng của EMF.

Để thực hiện việc này, hãy đặt lòng bàn tay phải sao cho nó hướng về phía cực bắc của nam châm và ngón cái uốn cong trùng với hướng chuyển động của phía đó của khung mà chúng ta muốn xác định hướng của EMF. Sau đó, hướng của EMF trong đó sẽ được biểu thị bằng các ngón tay dang rộng của bàn tay.

Đối với bất kỳ vị trí nào của khung, chúng tôi xác định hướng của EMF ở các cạnh a và b, chúng luôn cộng lại và tạo thành một EMF tổng trong khung. Đồng thời, với mỗi vòng quay của khung, hướng của tổng EMF trong nó thay đổi ngược lại, vì mỗi mặt làm việc của khung trong một vòng quay đi qua các cực khác nhau của nam châm.

Độ lớn của EMF gây ra trong khung cũng thay đổi khi tốc độ mà các cạnh của khung vượt qua các đường sức từ thay đổi. Thật vậy, tại thời điểm khung tiếp cận vị trí thẳng đứng và vượt qua nó, tốc độ vượt qua các đường sức ở các cạnh của khung là cao nhất và emf lớn nhất được tạo ra trong khung.Tại những thời điểm đó, khi khung đi qua vị trí nằm ngang, các cạnh của nó dường như trượt dọc theo các đường sức từ mà không cắt qua chúng và không có EMF nào được tạo ra.

Do đó, với sự quay đều của khung, một EMF sẽ được tạo ra trong đó, thay đổi định kỳ cả về cường độ và hướng.

EMF xảy ra trong khung có thể được đo bằng một thiết bị và được sử dụng để tạo ra dòng điện trong mạch bên ngoài.

sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ, bạn có thể nhận được EMF xoay chiều và do đó có dòng điện xoay chiều.

Dòng điện xoay chiều dùng cho mục đích công nghiệp và để chiếu sáng được sản xuất bởi các máy phát điện mạnh chạy bằng tua-bin hơi nước hoặc nước và động cơ đốt trong.

Biểu diễn đồ họa của dòng điện AC và DC

Phương pháp đồ họa giúp có thể hình dung quá trình thay đổi một biến nhất định tùy thuộc vào thời gian.

Việc vẽ các biến số thay đổi theo thời gian bắt đầu bằng cách vẽ hai đường thẳng vuông góc với nhau được gọi là các trục của đồ thị. Sau đó, trên trục hoành, trên một tỷ lệ nhất định, các khoảng thời gian được vẽ và trên trục tung, cũng trên một tỷ lệ nhất định, các giá trị của đại lượng được vẽ (EMF, điện áp hoặc dòng điện).

Trong bộ lễ phục. 2 vẽ đồ thị dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều ... Trong trường hợp này, chúng ta trì hoãn các giá trị hiện tại và các giá trị hiện tại của một hướng, thường được gọi là dương, bị trễ theo chiều dọc từ giao điểm của các trục O , và từ điểm này đi xuống theo hướng ngược lại, thường được gọi là âm.

Hình 2. Biểu diễn đồ họa của DC và AC

Bản thân điểm O đóng vai trò là gốc của các giá trị hiện tại (theo chiều dọc xuống và lên) và thời gian (theo chiều ngang bên phải).Nói cách khác, điểm này tương ứng với giá trị bằng không của dòng điện và điểm bắt đầu này trong thời gian mà từ đó chúng ta dự định theo dõi dòng điện sẽ thay đổi như thế nào trong tương lai.

Hãy để chúng tôi xác minh tính đúng đắn của những gì được vẽ trong hình. 2 và đồ thị dòng điện một chiều 50 mA.

Vì dòng điện này không đổi, nghĩa là nó không thay đổi cường độ và hướng theo thời gian, nên các giá trị dòng điện giống nhau sẽ tương ứng với các thời điểm khác nhau, tức là 50 mA. Do đó, tại thời điểm tức thời bằng 0, nghĩa là tại thời điểm ban đầu chúng ta quan sát thấy dòng điện, nó sẽ bằng 50 mA. Vẽ một đoạn bằng giá trị hiện tại là 50 mA trên trục tung hướng lên trên, chúng ta thu được điểm đầu tiên của biểu đồ.

Chúng ta phải làm tương tự cho thời điểm tiếp theo tương ứng với điểm 1 trên trục thời gian, tức là lùi từ điểm này theo phương thẳng đứng lên trên một đoạn cũng bằng 50 mA. Phần cuối của đoạn sẽ xác định điểm thứ hai của biểu đồ cho chúng tôi.

Sau khi thực hiện một cấu trúc tương tự cho một số thời điểm tiếp theo, chúng tôi thu được một loạt các điểm, kết nối của chúng sẽ tạo ra một đường thẳng, là biểu diễn đồ họa của giá trị dòng điện không đổi là 50 mA.

Vẽ một biến EMF

Hãy chuyển sang nghiên cứu đồ thị biến thiên của EMF... Trong hình. 3, một khung quay trong từ trường được hiển thị ở trên cùng và biểu diễn đồ họa của EMF biến kết quả được đưa ra bên dưới.

Hình 3. Vẽ đồ thị biến EMF

Chúng tôi bắt đầu xoay khung đều theo chiều kim đồng hồ và theo dõi quá trình thay đổi EMF trong đó, lấy vị trí nằm ngang của khung làm thời điểm ban đầu.

Tại thời điểm ban đầu này, EMF sẽ bằng không vì các cạnh của khung không cắt các đường sức từ.Trên biểu đồ, giá trị 0 này của EMF tương ứng với thời điểm t = 0 được biểu thị bằng điểm 1.

Với việc xoay khung thêm nữa, EMF sẽ bắt đầu xuất hiện trong khung và sẽ tăng lên cho đến khi khung đạt đến vị trí thẳng đứng. Trên biểu đồ, mức tăng EMF này sẽ được biểu thị bằng một đường cong tăng dần đạt đến đỉnh (điểm 2).

Khi khung tiếp cận vị trí nằm ngang, EMF trong đó sẽ giảm và giảm xuống bằng không. Trên biểu đồ, điều này sẽ được mô tả dưới dạng một đường cong trơn trượt.

Do đó, trong khoảng thời gian tương ứng với nửa vòng quay của khung, EMF trong khung có thể tăng từ 0 lên giá trị tối đa và lại giảm về 0 (điểm 3).

Khi khung quay thêm, EMF sẽ xuất hiện lại trong khung và tăng dần cường độ, nhưng hướng của nó sẽ thay đổi ngược lại, như có thể thấy bằng cách áp dụng quy tắc bàn tay phải.

Biểu đồ tính đến sự thay đổi theo hướng của EMF, sao cho đường cong biểu thị EMF cắt qua trục thời gian và hiện nằm bên dưới trục đó. EMF tăng trở lại cho đến khi khung đảm nhận vị trí thẳng đứng.

Sau đó, EMF sẽ bắt đầu giảm và giá trị của nó sẽ bằng 0 khi khung trở về vị trí ban đầu sau khi hoàn thành một vòng quay hoàn chỉnh. Trên biểu đồ, điều này sẽ được biểu thị bằng thực tế là đường cong EMF, đạt cực đại theo hướng ngược lại (điểm 4), sau đó sẽ gặp trục thời gian (điểm 5)

Điều này hoàn thành một chu kỳ thay đổi EMF, nhưng nếu bạn tiếp tục xoay khung, chu kỳ thứ hai sẽ bắt đầu ngay lập tức, lặp lại chính xác chu kỳ đầu tiên, lần lượt sẽ được theo sau bởi thứ ba, rồi thứ tư, v.v. khung quay.

Do đó, đối với mỗi vòng quay của khung, EMF xảy ra trong khung hoàn thành một chu kỳ thay đổi hoàn chỉnh của nó.

Nếu khung được đóng với một số mạch bên ngoài, thì một dòng điện xoay chiều sẽ chạy qua mạch, đồ thị của nó sẽ giống như đồ thị EMF.

Dạng sóng kết quả được gọi là sóng hình sin và dòng điện, EMF hoặc điện áp thay đổi theo định luật này được gọi là hình sin.

Bản thân đường cong được gọi là hình sin vì nó là biểu diễn đồ thị của một đại lượng lượng giác thay đổi được gọi là sin.

Bản chất hình sin của sự thay đổi dòng điện là phổ biến nhất trong kỹ thuật điện, do đó, nói về dòng điện xoay chiều, trong hầu hết các trường hợp, chúng có nghĩa là dòng điện hình sin.

Để so sánh các dòng điện xoay chiều (EMF và điện áp) khác nhau, có các giá trị đặc trưng cho một dòng điện nhất định. Chúng được gọi là thông số AC.

Chu kỳ, Biên độ và Tần số — Thông số AC

Dòng điện xoay chiều được đặc trưng bởi hai tham số — chu kỳ hàng tháng và biên độ, biết được thông số này chúng ta có thể ước tính đó là loại dòng điện xoay chiều nào và dựng đồ thị của dòng điện.

Hình 4. Đường cong dòng điện hình sin

Khoảng thời gian trong đó xảy ra một chu kỳ hoàn chỉnh của sự thay đổi hiện tại được gọi là một khoảng thời gian. Khoảng thời gian được ký hiệu bằng chữ T và được đo bằng giây.

Khoảng thời gian trong đó một nửa chu kỳ thay đổi hoàn toàn của dòng điện xảy ra được gọi là nửa chu kỳ.Do đó, khoảng thời gian thay đổi dòng điện (EMF hoặc điện áp) bao gồm hai nửa chu kỳ. Rõ ràng là tất cả các chu kỳ của cùng một dòng điện xoay chiều đều bằng nhau.

Như có thể thấy từ biểu đồ, trong một khoảng thời gian thay đổi của nó, dòng điện đạt gấp đôi giá trị cực đại của nó.

Giá trị cực đại của dòng điện xoay chiều (EMF hoặc điện áp) được gọi là biên độ hoặc giá trị dòng điện cực đại của nó.

Im, Em và Um là các ký hiệu phổ biến cho biên độ dòng điện, EMF và điện áp.

Trước hết, chúng tôi chú ý dòng điện cực đại, tuy nhiên, như có thể thấy từ biểu đồ, có vô số giá trị trung gian nhỏ hơn biên độ.

Giá trị của dòng điện xoay chiều (EMF, điện áp) tương ứng với bất kỳ thời điểm nào được chọn trong thời gian được gọi là giá trị tức thời của nó.

i, e và u là các ký hiệu thường được chấp nhận của các giá trị tức thời của dòng điện, emf và điện áp.

Giá trị tức thời của dòng điện, cũng như giá trị cực đại của nó, rất dễ xác định với sự trợ giúp của đồ thị. Để làm điều này, từ bất kỳ điểm nào trên trục hoành tương ứng với thời điểm mà chúng ta quan tâm, vẽ một đường thẳng đứng đến giao điểm với đường cong hiện tại; đoạn kết quả của đường thẳng đứng sẽ xác định giá trị của dòng điện tại một thời điểm nhất định, nghĩa là giá trị tức thời của nó.

Rõ ràng, giá trị tức thời của dòng điện sau thời gian T / 2 từ điểm bắt đầu của đồ thị sẽ bằng không và sau thời gian T / 4 giá trị biên độ của nó. Dòng điện cũng đạt giá trị cực đại; nhưng đã ngược chiều, sau một thời gian bằng 3/4 T.

Vì vậy, đồ thị cho thấy dòng điện trong mạch thay đổi như thế nào theo thời gian và chỉ một giá trị cụ thể của cả cường độ và hướng của dòng điện tương ứng với từng thời điểm. Trong trường hợp này, giá trị của dòng điện tại một thời điểm nhất định tại một điểm trong mạch sẽ hoàn toàn giống nhau tại bất kỳ điểm nào khác trong mạch đó.

Nó được gọi là số chu kỳ hoàn chỉnh của dòng điện trong 1 giây tần số AC và được ký hiệu bằng chữ cái Latinh f.

Để xác định tần số của dòng điện xoay chiều, tức là để tìm xem dòng điện được thực hiện trong 1 giây bao nhiêu chu kỳ, cần chia 1 giây cho thời gian của một chu kỳ f = 1 / T. Biết tần số của dòng điện xoay chiều, bạn có thể xác định khoảng thời gian: T = 1 / f

tần số xoay chiều nó được đo bằng một đơn vị gọi là hertz.

Nếu chúng ta có một dòng điện xoay chiều có tần số bằng 1 hertz, thì chu kỳ của dòng điện đó sẽ bằng 1 giây. Ngược lại, nếu thời gian thay đổi của dòng điện là 1 giây, thì tần số của dòng điện đó là 1 hertz.

Vì vậy, chúng tôi đã xác định các tham số AC—chu kỳ, biên độ và tần số—cho phép bạn phân biệt giữa các dòng điện AC, EMF và điện áp khác nhau, đồng thời vẽ đồ thị của chúng khi cần thiết.

Khi xác định điện trở của các mạch khác nhau đối với dòng điện xoay chiều, hãy sử dụng một giá trị phụ khác đặc trưng cho dòng điện xoay chiều, cái gọi là góc hoặc tần số góc.

Tần số tròn biểu thị liên quan đến tần số f theo tỉ số 2 pif

Hãy giải thích sự phụ thuộc này. Khi vẽ đồ thị EMF thay đổi, chúng tôi thấy rằng một vòng quay hoàn chỉnh của khung dẫn đến một chu kỳ thay đổi EMF hoàn chỉnh. Nói cách khác, để khung thực hiện một vòng quay, tức là quay 360 °, phải mất một khoảng thời gian bằng một khoảng thời gian, tức là T giây. Sau đó, trong 1 giây, khung tạo ra một vòng quay 360 ° / T. Do đó, 360 ° / T là góc mà khung quay trong 1 giây và biểu thị tốc độ quay của khung, tốc độ này thường được gọi là tốc độ góc hoặc tốc độ tròn.

Nhưng vì chu kỳ T có liên quan đến tần số f theo tỷ lệ f = 1 / T, nên tốc độ tròn cũng có thể được biểu thị dưới dạng tần số và sẽ bằng 360 ° f.

Vì vậy, chúng tôi kết luận rằng 360° f. Tuy nhiên, để thuận tiện cho việc sử dụng tần số tròn cho bất kỳ phép tính nào, góc 360 ° tương ứng với một vòng quay được thay thế bằng biểu thức xuyên tâm bằng 2pi radian, trong đó pi = 3,14. Vì vậy, cuối cùng chúng tôi nhận được 2pif. Do đó, để xác định tần số góc của dòng điện xoay chiều (EMF hoặc điện áp), bạn phải nhân tần số tính bằng hertz với một số không đổi 6,28.