V. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1. Dòng điện xoay chiều.
* Dòng điện và điện áp xoay chiều
Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ là hàm số sin hay côsin của thời gian.
Điện áp xoay chiều là điện áp biến thiên theo hàm số sin hay côsin của thời gian.
Tạo ra dòng điện xoay chiều bằng máy phát điện xoay chiều dựa trên cơ sở hiện tượng cảm ứng điện từ.
Trong một chu kì T dòng điện xoay chiều đổi chiều 2 lần, trong mỗi giây dòng điện xoay chiều đổi chiều 2f lần.
* Các giá trị 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 R trong những khoảng thời gian bằng nhau đủ dài thì nhiệt lượng tỏa ra bằng nhau.
+ Cường độ hiệu dụng và điện áp hiệu dụng: I =
; U =
.
+ Ampe kế và vôn kế đo cường độ dòng điện và điện áp xoay chiều dựa vào tác dụng nhiệt của dòng điện nên gọi là ampe kế nhiệt và vôn kế nhiệt, số chỉ của chúng là cường độ hiệu dụng và điện áp hiệu dụng của dòng điện xoay chiều.
+ Khi tính toán, đo lường, ... các mạch điện xoay chiều, chủ yếu sử dụng các giá trị hiệu dụng.
* Các loại đoạn mạch xoay chiều
+ Đoạn mạch chỉ có điện trở thuần: uR cùng pha với i; I =
.
+ Đoạn mạch chỉ có tụ điện: uC trể pha hơn i góc
; I =
; với ZC =
là dung kháng của tụ điện.
Tụ điện C không cho dòng điện không đổi đi qua (cản trở hoàn toàn), nhưng lại cho dòng điện xoay chiều đi qua với điện trở (dung kháng): ZC =
.
+ Đoạn mạch chỉ có cuộn cảm thuần: uL sớm pha hơn i góc
.
I =
; với ZL = (L là cảm kháng của cuộn dây.
Cuộn cảm thuần L cho dòng điện không đổi đi qua hoàn toàn (không cản trở) và cho dòng điện xoay chiều đi qua với điện trở (cảm kháng): ZL = (L.
+ Đoạn mạch có R, L, C mắc nối tiếp (không phân nhánh):
Giãn đồ Fre-nen: Nếu biểu diễn các điện áp xoay chiều trên R, L và C bằng các véc tơ tương ứng
,
và
tương ứng thì điện áp xoay chiều trên đoạn mạch R, L, C mắc nối tiếp là:
=
+
+

Dựa vào giãn đồ véc tơ ta thấy: U =
= I.
= I.Z
Với Z =
gọi là tổng trở của đoạn mạch RLC.
Độ lệch pha ( giữa u và i xác định theo biểu thức: tan( =
=

Cường độ hiệu dụng xác định theo định luật Ôm: I =
.
* Biểu thức điện áp xoay chiều, cường độ dòng điện xoay chiều
Nếu i = I0cos((t + (i) thì u = U0cos((t + (i + ().
Nếu u = U0cos((t + (u) thì i = I0cos((t + (u - ().
Với I0 =
; tan( =
.
+ Cộng hưởng trong đoạn mạch RLC: Khi ZL = ZC hay (L =
thì có hiện tượng cộng hưởng điện. Khi đó:
Z = Zmin = R; I = Imax =
; P = Pmax =
; ( = 0.
+ Các trường hợp khác:
Khi ZL > ZC thì u nhanh pha hơn i (đoạn mạch có tính cảm kháng).
Khi ZL < ZC thì u trể pha hơn i (đoạn mạch có tính dung kháng).
Chú ý: Nếu trong đoạn mạch có nhiều phần tử R, L, C mắc nối tiếp thì trong các hệ thức của định luật Ôm ta đặt R = R1 + R2 + ...; ZL = ZL1 + ZL2 + ...; ZC = ZC1 + ZC2 + ... . Nếu mạch không có điện trở thuần thì ta cho R = 0; không có cuộn cảm thì ta cho ZL = 0; không có tụ điện thì ta cho ZC = 0.
* Công suất của dòng điện xoay chiều
+ Công suất của dòng điện xoay chiều: P = UIcos( = I2R
+ Hệ số công suất: cos( =
.
+ Ý nghĩa của hệ số công suất cos(: Công suất hao phí trên đường dây tải (có điện trở r) là Php = rI2 =
. Nếu hệ số công suất cos( nhỏ thì công suất hao phí trên đường dây tải Php sẽ lớn, do đó người ta phải tìm cách nâng cao hệ số công suất. Theo qui định của nhà nước thì hệ số công suất cos( trong các cơ sở điện năng tối thiểu phải bằng 0,85.
Với cùng một điện áp U và