Chương 1:Khái niệm về dòng điện, Các định luật cơ bản để giải mạch điện xoay chiều một pha Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm về dòng điện một chiều, xoay chiều, định luật ôm và các đại lượng đặc trưng. - Giải đúng các bài toán mạch điện xoay chiều một pha bằng định luật ôm. - Rèn luyện tính tự giác, ý thức trong khi tham gia học tập.Khái niệm về dòng điện một chiều, xoay chiều. Khái niệm và nguyên lý sản sinh ra dòng điện 1 chiều 1.
Khái niệm Mạch điện gồm các thiết bị điện ghép lại với nhau tạo thành vòng kín nhờ các dây dẫn Các phần tử chính của mạch điện: - Nguồn điện: là các thiết bị điện phát ra năng lượng để cấp cho các thiết bị khác trong mạch Một số nguồn điện dân dụng cơ bản: pin, ắcquy, máy phát điện. - Phụ tải: là các thiết bị tiêu thụ điện năng Một số loại thiết bị tiêu thụ điện: quạt, bàn là, đèn. - Dây dẫn: nối nguồn với phụ tải hoặc các tải với nhau *) Cấu trúc của mạch điện - Nhánh: là một đoạn mạch gồm các phần tử ghép nối tiếp với nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy qua - Nút: là chỗ gặp nhau của các nhánh (từ 3 nhánh trở lên) - Mạch vòng: là một lối đi khép kín qua các nhánh 6 Từ sơ đồ trên hình vẽ ta thấy: - Số nhánh của mạch điện là 3(m= 3) - Số điểm nút của mạch điện là 2 (n=2 ) - Số vòng của mạch điện là 3 1. Nguyên lý sản sinh ra dòng điện một chiều Nguồn điện là thiết bị duy trì dòng điện trong đoạn mạch, muốn vậy ta cần duy trì điện áp ở hai đầu nguồn điện Nguồn điện nào cũng có hai cực, là cực dương (+) và cực âm (-), giữa hai cực đó luôn có một hiệu điện thế được duy trì.
Để tạo ra các điện cực như vậy trong nguồn điện phải có lực thực hiện công để tách các electron ra khỏi các phần tử trung hòa rồi chuyển các electron hoặc các iôn dương được tạo thành như thế ra khỏi mỗi cực Khi nối hai cực của nguồn điện bằng một vật dẫn, tạo thành mạch kín thì trong mạch đó có dòng điện 1. Các khái niệm cơ bản về dòng điện xoay chiều 1.1 Định nghĩa và sự sản sinh ra sức điện động xoay chiều hình sin. Hiện nay ở nước ta nguồn điện xoay chiều thường được tạo ra từ các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện trên cả nước, trong đó nhà máy thuỷ điện đóng một vai trò rất lớn đối với nền kinh tế quốc dân. Mạch điện xoay chiều hình sin một pha là mạch điện trong đó có một hoặc một số nguồn điện xoay chiều có cùng tần số và góc pha ban đầu.
Dòng điện xoay chiều thường biến đổi tuần hoàn, nghĩa là sau một khoảng thời gian nhất định nó sẽ lặp lại quá trình biến thiên như cũ, quá trình biến thiên này theo hàm số sin được gọi là dòng điện xoay chiều hình sin. Như vậy: Dòng điện xoay chiều hình sin là dòng điện có chiều và trị số thay đổi theo thời gian, theo quy luật hàm số sin nhưng vẫn giữ nguyên tần số.2 Cách tạo ra dòng điện xoay chiều a. Nguyên lí máy phát điện xoay chiều một pha Cấu tạo: 7 Gồm phần cảm là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, phần ứng là khung dây và hệ thống vòng tiếp xúc chổi than Nguyên lí làm việc +) Cho khung dây ( a, b, c, d) quay trong từ trường, lúc đó trong khung dây xuất hiện suất điện động cảm ứng ( theo định nghĩa cảm ứng điện từ ), chiều của sức điện động này xác định theo quy tắc bàn tay phải ( như hình vẽ). Nếu nối tải ta có dòng điện + Nếu quay khung dây 180 0 thì sức điện động trong khung dây đổi chiều dòng điện qua phụ tải cũng đổi chiều Kết luận: Với nguyên lí làm việc trên dòng điên qua phụ tải là dòng điện xoay chiều b.
Thành lập biểu thức sức điện động xoay chiều Cách thành lập Sức điện động hình sin được tạo ra trong một máy phát điện xoay chiều một pha kí hiệu la E. Để tính toán sức điện động này ta giả thiết như sau: + Hệ thống cực từ ở phần cảm được chế tạo sao cho cảm ứng từ B phân bố theo quy luật hình sin Biểu thức: B = Bm. sin t + Khi máy phát điện làm việc khung dây quay với vận tốc V ta có biểu thức: e = 2 Bm. Nếu khung dây quay với w vòng thì e = 2 Bm.
Như vậy nếu phần cảm B biến thiên theo quy luật hàm số sin thì 2 đầu khung dây cũng được một sức điện động biến thiên theo quy luật hàm số sin Biểu diễn bằng đồ thị Để biểu diễn hàm số sức điện động bằng đồ thị ta xét một số giá trị tại các thời điểm đặc biệt t 0 et 0 t et Em 2 t et 0 et E m 3 t 2 8 t 2. et 0 Đồ thị trên trên được gọi là đồ thị dạng sóng y 0 3 / 2 2 /2 x 2. Các đại lượng đặc trưng cho mạch điện. Dòng điện Dòng điện i có trị số bằng tốc độ biến thiên của điện lượng Q qua tiết diện ngang của dQ vật dẫn I = đơn vị là Ampe, A dt Người ta quy định chiều của dòng điện chạy trong vật dẫn ngược chiều với chiều chuyển động của điện tử (hình vẽ) 2. Điện áp Tại mỗi điểm trong mạch điện có một điện thế .
Hiệu diện giữa hai điểm gọi là điện áp U, đơn vị vôn, V A R B UA B Điện áp giữa hai điểm A và B trên hình vẽ là: U AB A B Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp Điện áp giữa hai cực của nguồn điện khi hở mạch ngoài (dòng điện I = 0) được gọi là sức điện động E 9 3. Công suất của nguồn sức điện động là: P = E.I Công suất của mạch ngoài là: P = U.I Đơn vị công suất là óat, W. Sức điện động E Sức điện động E là phần tử lí tưởng, có trị số bằng điện áp U đo được giữa hai cực của guồn khi hở mạch ngoài. Chiều của sức điện động quy ước từ điện thế thấp đến điện thế cao ( từ cực âm tới cực dường ) Kí hiệu nguồn sức điện động Chiều của điện áp quy ước từ điện thế cao đến điện thế thấp, do đó nếu theo hình vẽ thì ta có: U=E 4.
Định luật Ôm và các đại lượng đặc trưng. * Định luật Ôm cho đoạn mạch Cho đoạn mạch như hình vẽ I-R A B U Ta có R là điện trở của vật dẫn, I là cường độ dòng điện, U là hiệu điện thế Nếu hai đầu vật dẫn có một hiệu điện thế thì có dòng điện chạy qua vật dẫn. Cường độ dòng điện I trong vật dẫn phụ thuộc vào hiệu điện thế 2 đầu vật dẫn đó Định luật : Cường độ dòng điện chạy qua một đoạn mạch tỉ lệ thuận với điện áp ở 2 đầu đoạn mạch và tỉ lệ nghịch với điện trở trên đoạn mạch đó U I (A) R Công thức trên có thể viết dưới dạng: R =U / I ( ) Định luật này giúp ta xác định điện trở R của một vật dẫn nếu biết cường độ dòng điện I đi qua vật dẫn, khi hiệu điện thế ở hai đầu vật dẫn là U 10 * Định luật Ôm cho đoạn mạch khép kín Mạch điện kín đơn giản nhất gồm một nguồn điện (pin, ắcquy hoặc máy phát điện) và một điện trở R, là diện trở tương đương của mạch ngoài bao gồm các vật dẫn nối liề hai cực của nguồn điện gọi là điện trở ngoài. Nguồn điện có suất điện động E và điện trở trong r Định luật Ôm đối với toàn mạch được phát biểu như sau: Cường độ dòng điện trong mạch tỉ lệ thuận với sức điện động của nguồn và tỉ lệ nghịch với tổng trở của mạch Biểu thức: E I ( r là điện trở trong của nguồn điện) Rr Nếu kể đến đến điện trở dây thì dòng điện E L I với Rd R r Rd S điện trở suất của vật dẫn Chú ý: Hiện tượng đoản mạch: Nếu điện trở mạch ngoài không đáng kể R 0 thì theo công thức trên cường độ dòng điện sẽ lớn nhất và chỉ phụ thuộc vào sức điện động E và r của nguồn điện: E I r Ta nói nguồn điện bị đoản mạch * Định luật Ôm với mạch có chứa nguồn Xét nhánh mạch có E và R như hình vẽ U1 U2 U3 U4 I U Biểu thức tính điện áp U: U U1 U 2 U 3 U 4 = R1.I E Từ đây ta có biểu thức để tính cường độ dòng điện: U E I R 5.
Giải các mạch điện xoay chiều một pha bằng định luật Ôm.1 Mạch điện thuần điện trở Mạch điện xoay chiều thuần trở là mạch điện mà phụ tải của nó là các điện trở thuần tuý (hay điện trở lí tưởng ) Giả sử ta đặt vào 2 đầu đoạn mạch 1 điện áp có phương trình: 11 U = Umax. sin( t + u ) thì trong mạch cũng có dòng điện xoay chiều có dạng I = Imax. sin( t + i ) U R Vậy theo định luật Ôm ta có I = U / R Um. sin( t + ) Kết luận: Trong mạch điện xoay chiều thuần trở thì điện áp và dòng điện cùng pha nhau và có trị số U R = I.
Như vậy điện năng trên biến trở biến thành nhiệt năng và công suất tiêu thụ trênn điện trở đựơc gọi là công suất tác dụng P = U.2 Mạch điện thuần điện cảm Định nghĩa Mạch điện xoay chiều thuần cảm là mạch điện duy nhất chỉ có một điện cảm L thuần tuý, còn các thành phần khác R và C coi như bằng 0 Tính chất *Ta xét mạch điện có L : Giả sử đặt vào 2 đầu đoạn mạch một điện áp xoay chiều có phương trình U = Umax.sin ( t 90 0 ) thì trong mạch có dòng điện xoay chiều có phương trình I= Imax.sin ( t i) và lúc này dòng điện biến thiên qua cuộn dây L lại xuất hiện sức điện động cảm ứng 12 i .