Ba thông số cơ bản-Điện trở, điện cảm và điện dung

Điện trở (R), cuộn cảm (L) và tụ điện (C) là ba thành phần chính và thông số cốt lõi trong tất cả các mạch. Không có mạch điện nào có thể hoạt động mà không có ít nhất một trong số chúng. Điều đáng chú ý là các phần tử mạch lý tưởng khác với các thành phần vật lý thực. Phần tử mạch là một mô hình lý tưởng được đơn giản hóa được thiết kế để thể hiện đặc tính điện cụ thể của thiết bị vật lý. Tóm lại, các ký hiệu tiêu chuẩn hóa được sử dụng trong sơ đồ mạch điện để phản ánh các đặc tính điện của thiết bị và linh kiện thực tế. Ví dụ, các thiết bị gia nhiệt như tải điện trở, lò điện và thanh gia nhiệt đều có thể được biểu diễn bằng mô hình phần tử điện trở trong phân tích mạch.

 

Mặc dù vậy, một số thiết bị điện nhất định không thể được mô hình hóa chỉ bằng một phần tử mạch đơn lẻ. Cuộn dây động cơ là một ví dụ điển hình. Về cơ bản cấu trúc cuộn dây, cuộn dây có thể được biểu diễn bằng một cuộn cảm. Tuy nhiên, chúng cũng có sức đề kháng cố hữu. Vì lý do này, một điện trở phải được thêm vào để phản ánh đặc tính điện trở này. Theo đó, khi xây dựng mô hình mạch điện cho cuộn dây động cơ, chúng được biểu diễn dưới dạng tổ hợp nối tiếp của điện trở và điện cảm.

 

Điện trở là thông số điện đơn giản và trực quan nhất. Theo Định luật Ohm, công thức tính của nó là (R=U/I). Trong mạch điện, điện trở đóng vai trò là vật cản đối với dòng điện. Giá trị điện trở càng cao thì khả năng ức chế dòng điện của nó càng mạnh. Vì các đặc tính của điện trở tương đối đơn giản nên chúng ta sẽ chuyển sang tìm hiểu chi tiết về độ tự cảm và điện dung.

 

1. Độ tự cảm và điện dung là gì?

Như đã đề cập ở trên, điện cảm và điện dung, giống như điện trở, là các thông số và thành phần thiết yếu của mạch, nhưng chúng sử dụng các đơn vị đo khác nhau.

 

Độ tự cảm được ký hiệu bằng chữ cáiL, với đơn vị là henry (H). Nó xác định khả năng tạo ra từ trường của cuộn dây. Nói cách khác, khi dòng điện đầu vào không đổi, cuộn dây có độ tự cảm lớn hơn sẽ tạo ra từ trường mạnh hơn. Bằng cách so sánh, điện trở đặc trưng cho sự đối lập của một thành phần với dòng điện. Dưới một điện áp cố định, điện trở cao hơn dẫn đến dòng điện hoạt động thấp hơn.

 

Điện dung được đánh dấu bằng chữ cáiC, được đo bằng fara (F). Nó mô tả khả năng lưu trữ điện tích và năng lượng điện của tụ điện. Với điện áp đặt vào không đổi, tụ điện có điện dung lớn hơn có thể lưu trữ nhiều năng lượng điện hơn.

 

Tương tự, các thành phần cảm ứng cũng có khả năng lưu trữ năng lượng. Từ trường mạnh hơn mang năng lượng từ trường lớn hơn. Vì từ trường chứa năng lượng nên chúng có thể tác dụng lực cơ học lên các nam châm ở gần và thực hiện công lên chúng.

 

2. Mối quan hệ giữa điện cảm, điện dung và điện trở

Về bản chất, điện cảm và điện dung không có mối tương quan cố hữu với điện trở và đơn vị đo của chúng hoàn toàn độc lập. Tuy nhiên, sự khác biệt này trở nên nổi bật trong các mạch điện xoay chiều (AC).

 

Trong các mạch điện một chiều (DC), cuộn cảm hoạt động như mạch ngắn, trong khi tụ điện hoạt động như mạch hở. Tuy nhiên, trong mạch điện xoay chiều, cả cuộn cảm và tụ điện đều tạo ra sự đối lập tần số-phụ thuộc vào dòng điện. Loại hiệu ứng hạn chế dòng điện-này không được gọi là điện trở mà là điện kháng, được biểu thị bằng ký hiệu X. Phản kháng tạo ra bởi một cuộn cảm được định nghĩa là điện kháng cảm ứng ((XL)), và phản kháng do tụ điện tạo ra là điện kháng điện dung ((XC)).

 

Cả điện cảm và điện dung đều có chung đơn vị là điện trở: ohm. Cả ba đại lượng đều ngăn cản dòng điện chạy trong mạch. Sự khác biệt chính nằm ở sự phụ thuộc tần số: điện trở không đổi bất kể tần số, trong khi điện kháng cảm ứng và điện dung thay đổi khi tần số dao động. Về cơ bản, điện kháng trong mạch điện xoay chiều phát sinh từ sự biến đổi năng lượng liên tục do điện áp và dòng điện thay đổi.

 

Đối với cuộn cảm, dòng điện dao động dẫn đến sự thay đổi liên tục trong từ trường và năng lượng dự trữ của chúng. Tuân theo định luật cảm ứng điện từ, từ trường cảm ứng luôn chống lại sự biến đổi của từ trường ban đầu. Khi tần số hoạt động tăng lên, hiệu ứng phản tác dụng này càng tăng lên, dẫn đến điện kháng cảm ứng cao hơn.

 

Khi điện áp trên tụ điện dao động, điện tích trên các bản tụ của nó cũng thay đổi tương ứng. Điện áp thay đổi càng nhanh thì điện tích di chuyển giữa các bản càng nhanh và mạnh hơn. Dòng điện có hướng chính xác là dòng điện. Nói một cách đơn giản, sự thay đổi điện áp nhanh hơn tạo ra dòng điện dung lớn hơn, có nghĩa là sự ức chế dòng điện yếu hơn bởi tụ điện và điện kháng điện dung thấp hơn.

 

Tóm lại, điện kháng cảm ứng tỷ lệ thuận với tần số, trong khi điện kháng điện dung tỷ lệ nghịch với tần số.

 

3. Sự khác biệt về công suất giữa điện cảm, điện dung và điện trở

Các phần tử điện trở tiêu thụ điện năng liên tục trong cả mạch DC và AC, trong đó điện áp và dòng điện vẫn hoàn toàn cùng pha. Sơ đồ đường cong dưới đây minh họa các đặc tính điện áp, dòng điện và công suất của điện trở trong mạch điện xoay chiều. Như thể hiện trên đồ thị, công suất điện trở luôn lớn hơn hoặc bằng 0, chứng tỏ điện trở liên tục hấp thụ và tiêu thụ năng lượng điện.

 

 

Trong mạch điện xoay chiều, công suất tiêu tán bởi điện trở được gọi là công suất trung bình, hay phổ biến hơn là công suất tác dụng, được ký hiệu bằng chữ in hoa P. Công suất tác dụng chỉ phản ánh mức tiêu thụ năng lượng của các bộ phận điện. Đối với bất kỳ thiết bị nào tiêu thụ điện, công suất tác dụng sẽ định lượng mức độ và tốc độ tổn thất năng lượng của thiết bị đó.

 

Ngược lại, cuộn cảm và tụ điện không tiêu thụ năng lượng điện ròng. Chúng chỉ lưu trữ và giải phóng năng lượng theo chu kỳ. Cuộn cảm hấp thụ năng lượng điện và chuyển nó thành năng lượng từ trường, sau đó giải phóng năng lượng từ được lưu trữ thành năng lượng điện trong một chu kỳ lặp đi lặp lại. Tương tự như vậy, các tụ điện chuyển đổi năng lượng điện tới thành năng lượng điện trường và sau đó phóng năng lượng này trở lại mạch dưới dạng điện năng.

Sự trao đổi năng lượng theo chu kỳ này giữa các bộ phận và nguồn điện không liên quan đến mức tiêu thụ năng lượng thực tế, do đó nó không thể định lượng được bằng công suất tác dụng. Để định nghĩa hình thức trao đổi năng lượng đặc biệt này, các nhà vật lý đã đưa ra khái niệm công suất phản kháng, được biểu thị bằng chữ in hoa Q.

 

Cả công suất tác dụng và công suất phản kháng đều thuộc định nghĩa "công suất", mô tả tốc độ truyền hoặc chuyển đổi năng lượng. Công suất hoạt động phản ánh tốc độ tiêu thụ năng lượng điện của điện trở. Ví dụ, bóng đèn 100 watt tiêu thụ năng lượng nhanh gấp đôi so với bóng đèn 50 watt.

Ngược lại, công suất phản kháng đo tốc độ trao đổi năng lượng theo chu kỳ giữa các thành phần cảm ứng/điện dung và lưới điện. Điều quan trọng là phải nhấn mạnh thuật ngữ trao đổi năng lượng. Công suất phản kháng cao hơn có nghĩa là cuộn cảm và tụ điện tiêu thụ nhiều năng lượng xoay chiều hơn từ nguồn điện, mặc dù năng lượng này chỉ được sử dụng để lưu trữ và giải phóng định kỳ chứ không phải để tiêu thụ.