Trang chủ Diễn đàn > VẬT LÍ > LỚP 12 > Chương 3: Điện xoay chiều > Hỏi đáp phần điện xoay chiều >
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.
Nếu bạn học vật lý điện tử, bạn sẽ bắt gặp các từ chuyên môn như cuộn cảm, độ tự cảm, inductor, hệ số tự cảm, cuộn dây điện, cuộn dây, công thức tính độ tự cảm, cảm kháng, cuộn cảm cao tần, inductor là gì. Chắc hẳn bạn đều thắc mắc muốn tìm hiểu về nó. Bạn tự hỏi cuộn cảm là gì [What is an inductor?]? Cấu tạo của cuộn cảm như thế nào? Và nguyên lý hoạt động của cuộn cảm cũng như những ứng dụng thực tế của cuộn cảm ra sao? Trong bài này chúng ta cùng tìm hiểu nhé.
Đang xem: Công thức tính cuộn cảm
Cuộn cảm là gì?
Cuộn cảm có tên gọi là cuộn từ hay cuộn từ cảm, là một linh kiện điện tử thụ động được cấu tạo từ rất nhiều vòng dây điện [lõi đồng] quấn xung quanh các lõi [sắt non, nam châm, không khí]. Khi dòng điện chạy qua sẽ sinh ra từ trường, độ mạnh của từ trường mạnh hay yếu gọi là độ tự cảm hay từ dung ký hiệu là L và đơn vị đo là Henry [H]. Các lõi sắt trong cuộn cảm được làm bằng các tấm lá thép non.
Bạn có thể hiểu ngắn gọn như sau:
Một cuộn cảm chỉ là một cuộn dây quấn xung quanh một số loại lõi. Lõi có thể chỉ là không khí hoặc nó có thể là một nam châm.
Khi bạn cho một dòng điện chạy qua cuộn cảm, một từ trường được tạo ra xung quanh nó.
Bằng cách sử dụng lõi nam châm, từ trường sẽ mạnh hơn rất nhiều.
Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm:
Khi ta có cuộn cảm rồi, nếu cho dòng điện 1 chiều DC chạy qua. Dòng điện sẽ sinh ra một từ trường B có cường độ và chiều không đổi ứng với chiều và cường độ dòng điện DC. Và dòng DC có tần số bằng 0, cuộn dây hoạt động như một điện trở có điện trở kháng gần bằng 0.
Ngược lại khi ta cho dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm, nó sẽ sinh ra từ trường biến thiên [B] và một trường điện trường E, điện trường này biến thiên nhưng luôn vuông góc với từ trường. Cảm kháng của cuộn từ lệ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều.
Cuộn cảm L có đặc tính lọc nhiễu tốt cho các mạch nguồn DC có lẫn tạp nhiễu ở các tần số khác nhau tùy vào đặc tính cụ thể của từng cuộn cảm, giúp ổn định dòng, ứng dụng trong các mạch lọc tần số.
Một dòng điện qua bất kỳ dây nào sẽ tạo ra một từ trường. Cuộn cảm là một dây có hình dạng để từ trường sẽ mạnh hơn nhiều.
Lý do một cuộn cảm hoạt động theo cách của nó là vì từ trường này. Lĩnh vực này thực hiện một số công cụ vật lý ma thuật chống lại dòng điện xoay chiều.
Tôi không thích đi sâu vào vật lý và toán học. Nhưng nếu bạn muốn đọc một lời giải thích chi tiết hơn, hãy xem bài viết của cuộn cảm Wikipedia.
Cuộn cảm sử dụng để làm gì?
Cuộn cảm tương tự như một tụ điện. Trong mạch, nó sẽ cản lại dòng điện xoay chiều [AC] và để dòng điện một chiều [DC] chạy qua tự do.
Nó sẽ ngăn cản dòng điện xoay chiều [AC]. Nhưng dòng điện một chiều [DC] thì sẽ tự do cho chạy qua.
Tôi gần như không bao giờ sử dụng cuộn cảm. Chủ yếu là vì tôi có xu hướng dính vào các mạch kỹ thuật số. Nhưng đôi khi tôi đã sử dụng chúng để tạo bộ lọc hoặc bộ dao động.
Và chúng chủ yếu được sử dụng vào mục đích đo. Ứng dụng trong bộ lọc và bộ dao động.
Bạn thường tìm thấy cuộn cảm trong thiết bị điện tử AC tương tự như thiết bị vô tuyến, hay quạt điện, motor.
Và đây là ý kiến của một bạn gửi cho tôi viết về ứng dụng của cuộn cảm.
Chào.
Xem thêm: Công Thức Các Thì Trong Tiếng Anh, Các Thì Trong Tiếng Anh: 12 Thì Tiếng Anh Cơ Bản
Tôi đọc bài viết của bạn về cuộn cảm và tôi nghĩ rằng một vài điều cần được làm rõ một chút.
Bạn nói rằng bạn gần như không bao giờ sử dụng cuộn cảm vì bạn có xu hướng dính vào các mạch kỹ thuật số.
Mặc dù có thể không cần thiết cho hoạt động chính xác trong môi trường được kiểm soát, nhưng chắc chắn là cần thiết trong một sản phẩm thương mại.
Để đáp ứng nhu cầu EMC của các sản phẩm thương mại, vốn luôn khó khăn, bạn sẽ hầu như luôn muốn sử dụng cuộn cảm.
EMC là viết tắt của Khả năng điện từ.
Điều này khá đơn giản là sự tương tác giữa các mạch; hoạt động chính xác của một mạch trong môi trường ồn ào và nó không làm hỏng các mạch khác quá nhiều.
Thông thường, bạn sẽ tìm thấy một chế độ chung bị sặc ở đầu vào của bộ chuyển đổi DC-DC để giảm tiếng ồn bên ngoài. Cuộn cảm cũng sẽ giúp giảm tiếng ồn phát ra từ mạch.
Giữa các bộ điều chỉnh khác nhau, như nếu bạn muốn mạng 3,3 V và 5 V, bạn sẽ muốn sử dụng cái gọi là hạt công suất để loại bỏ nhiễu theo cùng một cách.
Chuyển đổi tiếng ồn có thể tích lũy nếu các biện pháp không được thực hiện và trường hợp xấu nhất sẽ là một mạch không hoạt động. Điều quan trọng cần lưu ý là việc sử dụng đúng tụ điện bypass sẽ làm giảm đáng kể vấn đề này.
Đúng là cuộn cảm chủ yếu được sử dụng cho các bộ lọc và bộ dao động. Tuy nhiên, tôi muốn chỉ ra rằng lọc cung cấp năng lượng có lẽ là cách sử dụng phổ biến nhất hiện nay.
Đừng quên rằng một máy biến áp cũng được làm từ hai cuộn cảm ..
Từ trường và từ dung
Khi có dòng điện chạy qua, cuộn dây sinh từ trường và trở thành nam châm điện. Khi không có dòng điện chạy qua, cuộn dây không có từ. Từ trường sản sinh tỉ lệ với dòng điện
B.A=IL
Hệ số tỷ lệ L là từ dung hay độ tự cảm, là tính chất vật lý của cuộn dây, đo bằng đơn vị Henry – H, thể hiện khả năng sản sinh từ của cuộn dây bởi một dòng điện, A là diện tích bề mặt cuộn dây. B.A ứng với từ thông. Từ dung càng lớn thì từ thông sinh ra càng lớn [ứng với cùng một dòng điện], và cũng ứng với dự trữ năng lượng từ trường [từ năng] trong cuộn dây càng lớn.
Bảng dưới đây tóm tắt công thức tính từ dung cho một số trường hợp
Trường hợpCông thứcChú thíchHình trụ tròn dài Dây dẫn thẳng dài Cuộn dây trụ tròn ngắn Cuộn dây nhiều lớp Cuộn dây quấn xoáy ốc trên mặt phẳng Lõi hình vòng xuyến [thiết diện tròn]|
|
L = từ dung đo bằng Henry [H]μ0 = độ từ thẩm của chân không = 4{displaystyle pi } × 10−7 H/mK = hệ số NagaokaN = số vòngA = thiết diện cuộn dây đo bằng mét vuông [m2]l = chiều dài cuộn dây [m] |
|
|
L = từ dung [H]l = chiều dài dây [m]d = đường kính dây [m] |
|
|
L = từ dung [H]l = chiều dài dây [in]d = đường kính dây [in] |
|
|
L = từ dung [µH]r = bán kính ngoài của cuộn dây [in]l = chiều dài cuộn dây [in]N = số vòng quấn |
|
|
L = từ dung [µH]r = bán kính trung bình của cuộn dây [in]l = chiều dài của dây quấn [in]N = số vòngd = độ dày của lớp quấn [in] |
|
|
L = từ dung [H]r = bán kính trung bình của cuộn dây [m]N = số vòngd = độ dày của lớp quấn [bán kính ngoài trừ bán kính trong] [m] |
|
|
L = từ dung [H]r = bán kính trung bình của cuộn dây [in]N = số vòngd = độ dày của lớp quấn [bán kính ngoài trừ bán kính trong] [in] |
|
|
L = từ dung [H]μ0 = độ từ thẩm của chân không = 4{displaystyle pi } × 10−7 H/mμr = độ từ thẩm tương đối của vật liệu lõiN = số vòngr = bán kính vòng quấn [m]D = đường kính vòng xuyến [m] |
Ký hiệu cuộn cảm
Dòng điện, i chảy qua một cuộn cảm tạo ra từ thông tỷ lệ với nó. Nhưng không giống như một Tụ điện chống lại sự thay đổi điện áp trên các bản của chúng, một cuộn cảm phản đối tốc độ thay đổi của dòng điện chạy qua nó do sự tích tụ năng lượng tự cảm ứng trong từ trường của nó.
Nói cách khác, cuộn cảm chống lại hoặc chống lại sự thay đổi của dòng điện nhưng sẽ dễ dàng vượt qua dòng điện một chiều ổn định. Khả năng này của một cuộn cảm chống lại sự thay đổi của dòng điện và cũng liên quan đến dòng điện, i với liên kết từ thông của nó, NΦ là một hằng số tỷ lệ được gọi là Điện cảm được đặt ký hiệu L với các đơn vị của Henry , [ H ] sau Joseph Henry.
Bởi vì Henry là một đơn vị tự cảm tương đối lớn theo cách riêng của nó, đối với các đơn vị phụ của cuộn cảm nhỏ hơn của He
Độ tự cảm
| Tiếp đầu ngữ | Ký hiệu | Số nhân | Độ mạnh |
| milli | m | 1 / 1.000 | 10 -3 |
| vi mô | Củ cải | 1 / 1.000.000 | 10 -6 |
| nano | n | 1 / 1.000.000.000 | 10 -9 |
Vì vậy, để hiển thị các đơn vị con của Henry, chúng tôi sẽ sử dụng làm ví dụ:
1mH = 1 milli-Henry – tương đương với một phần nghìn [1/1000] của Henry.100μH = 100 micro-Henries – tương đương với 100 triệu [1 / 1.000.000] của Henry.
Cuộn cảm hoặc cuộn dây rất phổ biến trong các mạch điện và có nhiều yếu tố quyết định độ tự cảm của cuộn dây như hình dạng của cuộn dây, số vòng dây của cách điện, số lớp dây, khoảng cách giữa các vòng , tính thấm của vật liệu lõi, kích thước hoặc diện tích mặt cắt ngang của lõi, v.v., để đặt tên cho một số ít.
Xem thêm: Bảng Nguyên Tử Khối Bari – Cho Nguyên Tử Khối Của Bari Là 137 Đvc
Một cuộn dây có một vùng lõi trung tâm, [ A ] với số vòng dây không đổi trên một đơn vị chiều dài, [ l ]. Vì vậy, nếu một cuộn dây N được liên kết bởi một lượng từ thông, Φ thì cuộn dây có liên kết từ thông N và bất kỳ dòng điện nào, [ i ] chảy qua cuộn dây sẽ tạo ra một từ thông cảm ứng theo hướng ngược lại với dòng chảy. Sau đó, theo Định luật Faraday, bất kỳ thay đổi nào trong liên kết từ thông này sẽ tạo ra điện áp tự cảm ứng trong cuộn dây đơn:
Ở đâu: N là số lượt A là diện tích mặt cắt ngang trong m 2 Φ là lượng thông trong Webers μ là thấm của vật liệu cốt lõi l là chiều dài của cuộn dây tính bằng mét di / dt là tốc độ thay đổi của dòng điện trong amps / giây
Từ trường biến thiên theo thời gian tạo ra một điện áp tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi của dòng điện tạo ra nó với giá trị dương cho thấy sự gia tăng của emf và giá trị âm biểu thị sự giảm emf. Phương trình liên quan đến điện áp, dòng điện và điện cảm tự cảm này có thể được tìm thấy bằng cách thay thế μN 2 A / l bằng L biểu thị hằng số tỷ lệ gọi là Độ tự cảm của cuộn dây.
Mối quan hệ giữa từ thông trong cuộn cảm và dòng điện chạy qua cuộn cảm được cho là: NΦ = Li . Vì một cuộn cảm bao gồm một cuộn dây dẫn, điều này sau đó làm giảm phương trình trên để tạo ra emf tự cảm ứng, đôi khi được gọi là emf phía sau gây ra trong cuộn dây:
Xem thêm bài viết thuộc chuyên mục: Công thức