Các thông số cơ bản của dòng điện xoay chiều: chu kỳ, tần số, pha, biên độ, dao động điều hòa

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều và cường độ thay đổi tuần hoàn. Vì thông thường cường độ dòng điện xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin nên dòng điện xoay chiều là những dao động hình sin của điện áp và cường độ dòng điện.

Do đó, mọi thứ áp dụng cho dao động điện hình sin đều có thể áp dụng cho dòng điện xoay chiều. Dao động hình sin là dao động mà trị số dao động thay đổi theo quy luật sin, trong bài này chúng ta sẽ nói về thông số xoay chiều.

Sự thay đổi EMF và sự thay đổi dòng điện của tải tuyến tính được kết nối với nguồn như vậy sẽ tuân theo quy luật hình sin. Trong trường hợp này, các EMF xen kẽ, điện áp và dòng điện xoay chiều có thể được đặc trưng bởi bốn tham số chính của chúng:

• Giai đoạn;

• Tính thường xuyên;

• biên độ;

• giá trị hiệu dụng.

Ngoài ra còn có các thông số bổ sung:

• tần số góc;

• giai đoạn;

• giá trị tức thời.

Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét tất cả các tham số này một cách riêng biệt và cùng nhau.

Giai đoạn T.

Khoảng thời gian — thời gian cần thiết để một hệ thống đang dao động đi qua tất cả các trạng thái trung gian và trở lại trạng thái ban đầu.

Chu kỳ T của dòng điện xoay chiều là khoảng thời gian mà dòng điện hoặc điện áp thực hiện một chu kỳ thay đổi hoàn chỉnh.

Vì nguồn của dòng điện xoay chiều là một máy phát điện, nên chu kỳ có liên quan đến tốc độ quay của rôto và tốc độ quay của cuộn dây hoặc rôto của máy phát càng cao thì chu kỳ của EMF xen kẽ được tạo ra càng ngắn và, theo đó, dòng điện xoay chiều của tải hóa ra.

Khoảng thời gian được đo bằng giây, mili giây, micro giây, nano giây, tùy thuộc vào tình huống cụ thể mà dòng điện này được xem xét. Hình trên cho thấy điện áp U thay đổi như thế nào theo thời gian trong khi có chu kỳ đặc trưng T không đổi.

tần số f

Tần số f là nghịch đảo của chu kỳ và bằng số với số chu kỳ của dòng điện hoặc EMF thay đổi trong 1 giây. Tức là f = 1 / T. Đơn vị đo tần số là hertz (Hz), được đặt theo tên của nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz, người đã có đóng góp đáng kể cho sự phát triển của điện động lực học vào thế kỷ 19. Khoảng thời gian càng ngắn, tần số của EMF hoặc thay đổi hiện tại càng cao.

Ngày nay ở Nga, tần số tiêu chuẩn của dòng điện xoay chiều trong các mạng điện là 50 Hz, tức là 50 dao động của điện áp mạng xuất hiện trong 1 giây.

Trong các lĩnh vực khác của điện động lực học, các tần số cao hơn được sử dụng, chẳng hạn như 20 kHz trở lên trong các bộ biến tần hiện đại và lên đến vài MHz trong các lĩnh vực điện động lực học hẹp hơn. Trong hình trên, bạn có thể thấy rằng có 50 dao động toàn phần trong một giây, mỗi dao động kéo dài 0,02 giây và 1/0,02 = 50.

Từ các đồ thị về sự thay đổi của dòng điện xoay chiều hình sin theo thời gian, có thể thấy rằng các dòng điện có tần số khác nhau chứa một số chu kỳ khác nhau trong cùng một khoảng thời gian.

Tần số góc

Tần số góc — số lần dao động được thực hiện trong 2pi giây.

Trong một khoảng thời gian, pha của EMF hình sin hoặc dòng điện hình sin thay đổi 2pi radian hoặc 360 °, do đó tần số góc của dòng điện xoay chiều hình sin bằng:

Dùng số dao động trong 2pi giây (không phải 1 giây) Tiện lợi vì trong các công thức biểu thị quy luật biến thiên của hiệu điện thế và cường độ dòng điện trong các dao động điều hòa, biểu thị tính chất cảm ứng hoặc điện dung của dòng điện xoay chiều, và trong nhiều các trường hợp khác xuất hiện tần số dao động n cùng với hệ số nhân 2pi.

Giai đoạn

Giai đoạn — trạng thái, giai đoạn của một quá trình tuần hoàn. Thuật ngữ pha có ý nghĩa rõ ràng hơn trong trường hợp dao động hình sin. Trong thực tế, thường không phải bản thân pha đóng vai trò mà là sự dịch pha giữa hai quá trình tuần hoàn bất kỳ.

Trong trường hợp này, thuật ngữ «pha» được hiểu là một giai đoạn phát triển của quá trình và trong trường hợp này, liên quan đến dòng điện xoay chiều và điện áp hình sin, pha được gọi là trạng thái của dòng điện xoay chiều tại một thời điểm nhất định trong thời gian.

Các số liệu cho thấy: sự trùng hợp của điện áp U1 và dòng điện I1 cùng pha, điện áp U1 và U2 ngược pha, cũng như sự lệch pha giữa dòng điện I1 và điện áp U2. Độ lệch pha được đo bằng radian, các phần của một khoảng thời gian, tính bằng độ.

Xem thêm: Pha, góc pha và độ lệch pha là gì

Biên độ Um và Im

Nói về cường độ của dòng điện xoay chiều hình sin hoặc EMF xoay chiều hình sin, giá trị cao nhất của EMF hoặc dòng điện được gọi là giá trị biên độ hoặc biên độ (tối đa).

biên độ - giá trị lớn nhất của đại lượng thực hiện dao động điều hòa (ví dụ: giá trị cực đại của cường độ dòng điện trong dòng điện xoay chiều, độ lệch của con lắc dao động so với vị trí cân bằng), độ lệch lớn nhất của đại lượng dao động so với một giá trị nhất định, có điều kiện được chấp nhận là số 0 ban đầu.

Nói một cách chính xác, thuật ngữ biên độ chỉ đề cập đến các dao động hình sin, nhưng nó thường (không hoàn toàn chính xác) được áp dụng theo nghĩa trên cho tất cả các dao động.

Nếu chúng ta nói về một máy phát điện xoay chiều, thì EMF của các cực của nó hai lần mỗi chu kỳ đạt đến giá trị biên độ, giá trị đầu tiên là + Em, giá trị thứ hai là Em, tương ứng, trong nửa chu kỳ dương và âm. Tôi hiện tại hành xử tương tự và được ký hiệu là Im tương ứng.

Dao động điều hòa — dao động trong đó một đại lượng dao động, chẳng hạn như điện áp trong mạch điện, thay đổi theo thời gian theo quy luật điều hòa hình sin hoặc cosin. Biểu diễn đồ họa bằng một đường cong hình sin.

Các quá trình thực chỉ có thể xấp xỉ dao động điều hòa. Tuy nhiên, nếu các dao động phản ánh các đặc điểm đặc trưng nhất của quy trình, thì quy trình đó được coi là điều hòa, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải quyết nhiều vấn đề vật lý và kỹ thuật.

Các chuyển động gần với dao động điều hòa xảy ra trong các hệ thống khác nhau: cơ học (dao động của con lắc), âm học (dao động của cột không khí trong ống organ), điện từ (dao động trong mạch LC), v.v.Lý thuyết về dao động xem xét các hiện tượng này, khác nhau về bản chất vật lý, theo quan điểm thống nhất và xác định các tính chất chung của chúng.

Thật thuận tiện khi biểu diễn các dao động điều hòa bằng đồ thị bằng cách sử dụng một vectơ quay với vận tốc góc không đổi quanh một trục vuông góc với vectơ này và đi qua gốc tọa độ của nó. Vận tốc góc quay của véc tơ ứng với tần số tròn của dao động điều hòa.

Sơ đồ véc tơ dao động điều hòa

Một quá trình tuần hoàn dưới mọi hình thức có thể được phân tách thành một chuỗi vô hạn các dao động điều hòa đơn giản với các tần số, biên độ và pha khác nhau.

hài hòa - một dao động điều hòa có tần số lớn hơn một số nguyên lần tần số của một số dao động khác, được gọi là âm cơ bản. Số của họa âm cho biết tần số của nó lớn hơn tần số của âm cơ bản bao nhiêu lần (ví dụ: họa âm thứ 3 là dao động điều hòa có tần số lớn gấp 3 lần tần số của âm cơ bản).

Bất kỳ dao động định kỳ nhưng không điều hòa (nghĩa là có hình dạng khác với hình sin) đều có thể được biểu diễn dưới dạng tổng của các dao động điều hòa—âm cơ bản và một số dao động điều hòa. Dao động được xem xét có dạng càng khác với dạng hình sin thì nó càng chứa nhiều sóng hài.

Giá trị tức thời của u và i

Giá trị của EMF hoặc dòng điện tại một thời điểm nhất định được gọi là giá trị tức thời, chúng được ký hiệu bằng các chữ cái in thường u và i. Nhưng vì các giá trị này luôn thay đổi nên việc ước tính dòng điện xoay chiều và EMF từ chúng là bất tiện.

Giá trị RMS của I, E và U

Khả năng của dòng điện xoay chiều để thực hiện công việc hữu ích, chẳng hạn như quay cơ học rôto của động cơ hoặc tạo nhiệt trên thiết bị sưởi ấm, được ước tính thuận tiện bằng các giá trị hiệu dụng của emfs và dòng điện.

Vì thế, giá trị hiện tại hiệu quả được gọi là giá trị của dòng điện một chiều mà khi chạy qua một vật dẫn trong một khoảng thời gian của dòng điện xoay chiều đang xét thì sinh ra công cơ học hoặc nhiệt lượng giống như dòng điện xoay chiều này.

Các giá trị RMS của điện áp, emfs và dòng điện được biểu thị bằng các chữ in hoa I, E và U. Đối với dòng điện xoay chiều hình sin và đối với điện áp xoay chiều hình sin, các giá trị hiệu dụng là:

Để mô tả các mạng điện, thuận tiện là sử dụng giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp. Ví dụ: giá trị 220-240 vôn là giá trị hiệu dụng của điện áp trong các ổ cắm gia đình hiện đại và biên độ cao hơn nhiều - từ 311 đến 339 vôn.

Điều tương tự với dòng điện, chẳng hạn khi họ nói rằng dòng điện 8 ampe chạy qua thiết bị sưởi ấm trong nhà, điều đó có nghĩa là giá trị hiệu dụng, trong khi biên độ là 11,3 ampe.

Bằng cách này hay cách khác, công cơ học và năng lượng điện trong lắp đặt điện tỷ lệ thuận với giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện. Một phần quan trọng của các thiết bị đo hiển thị chính xác các giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện.