Nguyên Nhân Gây Tổn Thất Điện Năng
1Dòng điện xoay chiều và từ trường biến thiên
Dòng điện xoay chiều (AC) là dòng điện có chiều và cường độ thay đổi tuần hoàn theo thời gian, thường theo dạng hình sin. Theo Định luật Ampere, bất kỳ dòng điện nào chạy qua dây dẫn cũng tạo ra một từ trường xoáy xung quanh nó.
Vì dòng điện AC liên tục thay đổi chiều và cường độ, từ trường mà nó tạo ra cũng thay đổi tương ứng. Từ trường này được gọi là từ trường biến thiên. Sự biến thiên này tuân theo chu kỳ và tần số của dòng điện AC.
Hình ảnh minh họa các trường điện (E) và từ (B) biến thiên, vuông góc với nhau và truyền ra xa khỏi dây dẫn.
2Từ trường biến thiên và dòng điện xoáy Foucault
Theo Định luật cảm ứng điện từ Faraday, một từ trường biến thiên sẽ tạo ra một điện trường xoáy. Trong trường hợp này, từ trường biến thiên sinh ra bởi dòng điện AC sẽ cảm ứng một điện trường xoáy ngay bên trong chính dây dẫn.
Điện trường xoáy này lại tạo ra những dòng điện nhỏ, khép kín bên trong vật dẫn, được gọi là dòng điện xoáy Foucault (hay dòng điện Foucault). Theo Định luật Lenz, các dòng điện Foucault này có chiều chống lại nguyên nhân sinh ra chúng, tức là chống lại sự thay đổi của từ trường ban đầu.
3Hiệu ứng da (Skin Effect)
Hiệu ứng da là hiện tượng mật độ dòng điện AC trong dây dẫn không phân bố đều mà có xu hướng tập trung ở phần bề mặt ngoài (lớp "da") của dây dẫn, trong khi phần lõi bên trong có rất ít hoặc không có dòng điện.
Hiệu ứng này là hệ quả trực tiếp của dòng điện xoáy Foucault:
- Ở trung tâm của dây dẫn, dòng điện Foucault cảm ứng có chiều ngược lại với dòng điện chính, làm suy yếu dòng điện chính.
- Ở bề mặt của dây dẫn, dòng điện Foucault có chiều cùng với dòng điện chính, làm tăng mật độ dòng điện tại đây.
Kết quả là, dòng điện AC bị "đẩy" ra ngoài, khiến phần lõi của dây dẫn gần như không được tận dụng để truyền tải điện. Hiệu ứng này càng trở nên rõ rệt khi tần số dòng điện càng cao, gây ra tổn thất năng lượng lớn do nhiệt (hiệu ứng Joule-Lenz).
Dòng điện tập trung ở bề mặt (màu đỏ) và giảm dần vào lõi.
Dòng điện xoáy Foucault bên trong lõi thép kỹ thuật.
Hiệu ứng da làm tăng điện trở
1. Bản chất: Hiệu ứng da làm giảm diện tích hiệu dụng mà dòng điện có thể chạy qua.
2. Công thức điện trở: R = ρ * (L / A). Khi diện tích hiệu dụng (A) giảm, điện trở (R) tăng.
Do đó, hiệu ứng da làm tăng điện trở hiệu dụng của dây dẫn đối với dòng điện xoay chiều, gây ra tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt (P = I²R) lớn hơn nhiều so với tính toán lý thuyết dòng một chiều.
4Hiệu ứng Joule-Lenz (Sinh nhiệt)
Cơ chế sinh nhiệt trong trường hợp này là hiệu ứng Joule-Lenz, nhưng với nguyên nhân là do các dòng điện xoáy Foucault và hiệu ứng da.
Va chạm electron sinh nhiệt (I²R).
Quy trình tổn thất:
- Dòng điện AC tạo từ trường biến thiên.
- Từ trường biến thiên tạo dòng Foucault.
- Dòng Foucault chạy qua vật liệu có điện trở → Sinh nhiệt.
- Dòng chính bị đẩy ra bề mặt (Hiệu ứng da) → Tiết diện giảm → Điện trở tăng → Sinh nhiệt nhiều hơn.
Nói cách khác, thay vì dòng điện chính truyền tải năng lượng hiệu quả, nó lại tự cảm ứng ra những "dòng điện ký sinh" bên trong, và những dòng điện này lại tự tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt.