Hằng số hay biến đổi?

45

Hằng số hay biến đổi?

S. L. GAVRILOV

Ngày nay tất cả chúng ta đều quen với việc dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều cùng tồn tại hòa bình trong công nghệ và cuộc sống hàng ngày, bổ sung và “giúp đỡ” lẫn nhau. Và đây là cách đây nhiều năm, vào những năm 80 của thế kỷ, chẳng hạn ở Mỹ, một cuộc đấu tranh tuyệt vọng đã diễn ra giữa những người ủng hộ phe này và phe kia.

Lịch sử trước đây của điện - từ việc phát minh ra pin điện đầu tiên của A. Volta vào năm 1800 đến sự phát triển của T. Edison về các mục tiêu của hệ thống điện vào năm 1880 - là lịch sử phát triển của dòng điện một chiều. Đặc biệt, vào thời điểm này, Edison đã giành được chiến thắng trước những người ủng hộ hệ thống chiếu sáng bằng khí đốt, những người đã làm mọi cách có thể để ngăn chặn sự ra đời của hệ thống chiếu sáng bằng điện.

Năm 1886, sau khi chế tạo ra máy biến áp hoạt động đầu tiên, dòng điện một chiều có một đối thủ cạnh tranh mạnh mẽ - dòng điện xoay chiều. Hướng của nó với sự trợ giúp của máy biến áp có thể được biến đổi trong phạm vi rất rộng, điều này đặc biệt quan trọng khi truyền điện qua dây dẫn trên khoảng cách xa. Việc tạo ra dòng điện xoay chiều cũng dễ dàng và rẻ hơn so với dòng điện một chiều.

Tuy nhiên, những người ủng hộ dòng điện trực tiếp đã chiến đấu bằng mọi cách. Nếu bất kỳ tai nạn nào xảy ra với bất kỳ nhân viên nào đang bảo trì hệ thống điện xoay chiều, các bài báo sẽ xuất hiện trên các tờ báo với tiêu đề lớn: “Giết người bằng dây điện”, “Thân mới trên dây điện”, v.v. Khi một ủy ban do cơ quan phản đối Hoa Kỳ chỉ định lựa chọn một phương pháp hành quyết “nhân đạo” hơn là treo cổ khuyến nghị sử dụng dòng điện xoay chiều, đây là lập luận tiếp theo trong cuộc chiến chống lại dòng điện xoay chiều.

Nhưng việc ứng dụng dòng điện xoay chiều trong nhiều lĩnh vực đã thấy rất rõ ràng rằng Edison, vốn là một nhà phát minh và kỹ sư cơ bản, đã ngừng đấu tranh. Và theo thời gian, Công ty General Electric, nổi lên từ công ty Edinov, đã trở thành một trong những công ty sản xuất máy biến áp chính.

Hãy cùng tìm hiểu xem loại dòng điện xoay chiều nào đã được sử dụng đã giúp anh ta giành chiến thắng? Nhưng trước tiên, một chút về anh ấy.

Trong mạch điện xoay chiều, chiều và trị số của các biến thay đổi. Những thay đổi này có thể được mô tả bằng công thức

$$i = I_m \cos \omega t = I_m \cos 2\pi vt = I_m \cos(2\pi t/T),$$

46

Hình 1. Đồ thị biến đổi cường độ dòng điện và điện áp trong mạch điện xoay chiều.

trong đó $i$ là giá trị tức thời của dòng điện xoay chiều, $I_m$ là biên độ của nó, $v$ là tần số, $\omega = 2\pi v$ là tần số tuần hoàn, $T$ là khoảng thời gian thay đổi của dòng điện. Một biểu thức tương tự có thể được viết cho điện áp:

$$u = U_m \cos \omega t = U_m \cos 2\pi v t = U_m \cos (2\pi t/T).$$

Đồ thị của các hàm này được trình bày trên hình 1, nhưng chúng có thể được phóng to trực tiếp trên màn hình của máy hiện sóng trường học. Để làm điều này, bạn cần nối một đoạn dây dài khoảng một mét với đầu vào của máy hiện sóng (hình 2). Dây sẽ hoạt động như một ăng-ten và tín hiệu cảm ứng từ dây điện sẽ xuất hiện trên đó. Bằng cách đo chu kỳ của sóng hình sin bằng máy hiện sóng, bạn có thể xác minh rằng tần số của tín hiệu cảm ứng là $v = 50$ Hz, tương ứng với tần số của dòng điện xoay chiều trong mạng điện.

Máy phát điện có thể được hỗ trợ bằng cách quay một khung có cuộn dây giữa các dải nam châm vĩnh cửu, như thể hiện trong hình 3. Một cách khác để làm điều này là quay một nam châm vĩnh cửu bên trong cuộn dây đứng yên. Nhân tiện, đây là nguyên lý hoạt động của hầu hết các máy phát điện công nghiệp, nhưng chúng sử dụng nam châm điện cùng với nam châm tích hợp.

Những tiện ích của dòng điện xoay chiều trong kỹ thuật điện là rất lớn. Với sự trợ giúp của dòng điện như vậy, có thể tạo ra cái gọi là từ trường quay, từ trường này sẽ dẫn động các trục của động cơ điện. Để truyền tải điện trên khoảng cách xa với tổn thất tối thiểu, điện áp ở đầu đường dây truyền tải cần phải tăng lên và ở cuối đường dây (trước mặt người tiêu dùng) - hạ xuống. Trong trường hợp dòng điện xoay chiều, điều này có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng máy biến áp tăng áp và giảm áp (hình 4).

Kỹ thuật vô tuyến và điện tử cũng thường xử lý các tín hiệu dòng điện xoay chiều có tần số và điện áp khác nhau. Do đó, một máy phát vô tuyến chuyển đổi dòng điện tần số cao thành sóng vô tuyến, sóng này trong máy thu vô tuyến lại được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều tần số cao. Micrô chuyển đổi âm thanh thành dòng điện xoay chiều tần số thấp phù hợp với tần số của âm thanh. Ngược lại, loa chuyển đổi dòng điện tần số âm thanh thành âm thanh. Nếu bạn lắp ráp mạch như trong hình 5, bạn có thể quan sát hoạt động của micrô bằng máy hiện sóng. Để có tín hiệu thành công, bạn có thể sử dụng bất kỳ bộ khuếch đại âm thanh làm sẵn nào (tất nhiên là có trong phòng vật lý của trường).

Các ví dụ đưa ra tuy chưa đầy đủ nhưng minh họa rõ ràng những ứng dụng đa dạng của dòng điện xoay chiều. Tuy nhiên, cũng có rất nhiều việc phải làm đối với dòng điện được xây dựng. Dòng điện một chiều, ví dụ, cung cấp năng lượng cho các mạch điện tử, động cơ điện (xe điện và tàu điện được dẫn động bằng dòng điện một chiều), hệ thống trên máy bay, hộp số tự động, v.v.

Hình 2. Dòng điện xoay chiều trên màn hình máy hiện sóng.
Hình 3. Model máy phát điện.

48

Hình 7. Bộ khuếch đại DC cân bằng: $T_1, T_2 - M\Pi 41; R_3=5,1$ kOhm; $R_{\kappa1}=R_{\kappa2}=3,3$ kOhm.

Dựa trên mạch như vậy có thể chế tạo được bộ khuếch đại nhiều tầng với số lượng đủ lớn. hình 8 hiển thị sơ đồ của bộ khuếch đại DC hai tầng, có thể được lắp ráp và thử nghiệm khi vận hành. Ví dụ, nó có thể được sử dụng để đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện.

Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện dựa trên hiện tượng sau. Nếu hai điểm nối của các kim loại khác nhau có trong mạch điện ở nhiệt độ khác nhau thì sẽ xuất hiện dòng điện trong mạch. Nó được gây ra bởi cái gọi là nhiệt điện, xuất hiện ở những nơi có xà dọc. Nói cách khác, việc hàn hai kim loại khác nhau có thể chuyển đổi nhiệt năng thành năng lượng điện. Cặp nhiệt điện thường được sử dụng để đo nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp.

Điện áp do cặp nhiệt điện tạo ra rất nhỏ, thường không quá vài chục microvolt mỗi độ. Do đó, cặp nhiệt điện thường được kết nối với bộ khuếch đại DC và tín hiệu thành công sẽ được gửi đến thiết bị đo hoặc thiết bị điều khiển nhiệt độ. Cặp nhiệt điện tốt được làm từ hợp chất của hợp kim chromel (hợp kim của crom với niken) và copel (hợp kim của đồng với niken và mangan) hoặc alumel (hợp kim của nhôm, niken, mangan và silicon) và copel. Nhưng bạn có thể chế tạo một cặp nhiệt điện từ những vật liệu rẻ tiền hơn, chẳng hạn như sắt và nhôm.

Các kim loại tại điểm tiếp xúc phải được gấp lại một cách an toàn. Nó có thể được thực hiện như thế này. Thanh than chì của pin đèn pin phải được mài cẩn thận và nối với một cực của máy biến áp tự ngẫu trong phòng thí nghiệm. Các dây làm bằng các kim loại khác nhau phải được gấp và xoắn ở hai đầu, các đầu tự do của dây phải được nối với cực thứ hai của máy biến áp tự ngẫu. Nếu bây giờ bạn đưa thanh than chì đến gần các đầu xoắn của dây, thì ở điện áp đủ (nhưng được chọn theo thực nghiệm), một hồ quang điện sẽ xuất hiện và các dây sẽ được hàn. Để mối nối sạch sẽ, không bị đóng cặn, tốt hơn hết bạn nên làm ẩm các đầu dây bằng cồn hoặc nước hoa ba lần (lưu ý để cồn không bốc lên trong quá trình hàn! Rõ ràng là những nơi có than chì và dây mà anh em chạm tay khi hàn phải được bịt kín, vì hướng có thể yêu cầu khá nhiều - lên đến 100 volt.

Cặp nhiệt điện được sản xuất sẽ được kết nối với đầu vào của bộ khuếch đại DC và một milivolt kế có thể được kết nối với đầu ra của nó. Để lập trình cho thiết bị, đầu tiên cặp nhiệt điện có thể được đặt trong bình có nước sôi, sau đó đặt vào bình có đá. Số chỉ của vôn kế sẽ tương ứng với 100°C và 0°C.

Ngoài ra còn có bộ khuếch đại DC sử dụng bộ khuếch đại AC. Trong đó, tín hiệu DC được chuyển đổi thành tín hiệu AC, được nén và sau đó chuyển đổi trở lại thành DC.

Từ tất cả những gì đã nói, chúng ta có thể kết luận rằng “cuộc chiến giữa dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều” bắt đầu từ một trăm năm trước đã kết thúc không chỉ trong hòa bình mà còn bằng một sự hợp tác rất đen tối và hiệu quả.