CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Giới thiệu: Các khái niệm và các phép biến đổi tương đương được sử dụng trong việc giải các các bài toán về mạch điện. Bài học này trang bị cho người học kiến thức về các khái niệm mạch điện, cách giải bài toán vận dụng các phép biến đổi tương đương như điện trở mắc nối tiếp, song song, biến đổi sao- tam giác .sẽ giúp giải quyết các bài toándễ dàng. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: + Trình bày được khái niệm mạch điện và các thông số cơ bản của mạch là điện áp, dòng điện…. + Mô hình hóa được mạch điện bằng các phần tử mạch.
+ Giải được các bài toán cơ bản của mạch điện. + Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập. Người học tự đánh giá được kết quả công việc mình làm theo yêu cầu công việc mà giáo viên đưa ra. Mạch điện và các phần tử của mạch điện.
Định nghĩa mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn (phần tử dẫn) tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn. Rd + E _ I Rt ro Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạch điện 1. Các phần tử cơ bản của mạch điện Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng.
Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổicác dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng thành điện năng.2: các dạng nguồn điện Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng v…v.3: Một số ví dụ về tải Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng kim loại (đồng, nhôm) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải. Ngoài ra, mạch điện cũng bao gồm các thiết bị đóng cắt như cầu dao, aptomat.các thiết bị bảo vệ (cầu chì, áp tô mát.), các thiết bị đo lường (ampe kế, vôn kế. Kết cấu mạch điệnMạch điện - Nhánh: Nhánh là một đoạn mạch gồm các phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùngmột dòng điện chạy từ đầu này đến đầu kia. - Nút: Nút là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên.
-Vòng: Vòng là lối đi khép kín qua các nhánh. -Mắt lưới: Vòng mà bên trong không có vòng nào khác. Mô hình mạch điện và phân loại, các chế độ làm việc của mạch điện Trong việc nghiên cứu và tính toán các mạch điện và thiết bị điện thì mô hình mạch điện được sử dụng rất thuận lợi. Mô hình mạch điện gồm các thông số như nguồn dòng điện P (t), hỗ cảm M, nguồn điện áp u (t) hoặc e(t), điện cảm L, điện trở R, điện dung C.
-Chế độ làm việc của mạch điện: Chế độ làm việc dài hạn Chế độ làm việc quá tải. Định luật Ohm 3. Định luật Ohm cho đoạn mạch.Dòng điện Định nghĩa Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngangmột vật dẫn: i = dq/dt Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường.Nghĩa là ở mạch ngoài, dòng điện đi từ nơi điện thế cao đến nơi điện thế thấp. Cường độ dòng điện Đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện gọi là cường độ dòng điện.
Cường độ dòng điện là lượng điện tích dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trongmột đơn vị thời gian. q I t Trong đó: q: là điện tích qua tiết diện thẳng (C) t: là thời gian (s) - Đơn vị: A(Ampe) Các ước số và bội số của A là: A, mA, KA, MA 1 A = 10-6A 1mA = 10-3A 1KA = 103A 1MA = 106A Nếu lượng điện tích di chuyển qua vật dẫn không đều theo thời gian sẽ tạo ra dòng điện có cường độ thay đổi (dòng điện biến đổi). q I t - Nếu lượng điện tích di chuyển qua vật dẫn theo một hướng nhất định, với tốc độ không đổi sẽ tạo ra dòng điện một chiều (dòng điện một chiều). Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và trị số không đổi theo thời gian.
Mật độ dòng điện Mật độ dòng điện là trị số của dòng điện trên một đơn vị diện tích.Ký hiệu: J Đơn vị: A/ mm2 b.Điện áp Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểm gọi là điện áp. Điện áp giữa hai điểm A và B: UAB = UA – UB Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp.Công suất 7 Trong mạch điện, một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng.i > 0 nhánh nhận năng lượng p = u.i < 0 nhánh phát nănglượng Đơn vị đo của công suất là W (Oát) hoặc KW d.Các thông số cơ bản của mạch điện - Nguồn điện áp Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn + U _ E + _ r0 r0 Hình 1.4: Ký hiệu nguồn điện áp Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng một sức điện động e(t). Chiều e (t) từ điểm điện thế thấp đến điểm điện thế cao. Chiều điện áp theo quy ước từ điểm có điện thế cao đến điểm điện thế thấp: u(t) = - e(t) Cách ghép nguồn một chiều: Đấu nối tiếp các nguồn điện thành bộ: - Thực hiện khi cần tăng điện áp cung cấp cho tải.
- Giả sử có n nguồn giống nhau (E, r0),ghép nối tiếp sẽ được bộ nguồn (hình 1.5 b: Đấu song song nguồn E Hình 1.5 a: Đấu nối tiếp nguồn + - + - + - + -. + - E + - + U - A B + - U A B Đấu song song các nguồn điện thành bộ: - Thực hiện khi cần tăng dòng điện cung cấp cho tải. Giả sử có n nguồn giống nhau(E, r0), ghép song song sẽ được bộ nguồn (Hình 1.5b) Ebộ = E 8 Đấu hỗn hợp các nguồn điện thành bộ: - Đấu hỗn hợp là cách đấu kết hợp cả nối tiếp và song song E2 E1 + - - +En + _ A B Hình 1.6: Đấu hỗn hợp các nguồn điện - Nguồn dòng điện Nguồn dòng điện J (t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài Hình 1.7: Ký hiệu nguồn dòng điện - Phần tử điện trở - Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng v…v. Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở: UR =R.I Đơn vị của điện trở là Ω (ohm) Các ước số và bội số của là: m, , M, K.
1 = 10-6M 1 = 10-3K 1 = 103m 1 = 106 Công suất điện trở tiêu thụ: P = RI2 - Đối với dây dẫn: l R . S Trong đó: - là điện trở suất của vật dẫn (mm2/m = 10-6m) - l là chiều dài (m) - S là tiết diện (mm2) 9 Vậy: Điện trở của vật dẫn tỷ lệ thuận với chiều dài, tỷ lệ nghịch với tiết diện và phụ thuộc vào vật liệu làm nên vật dẫn đó. * Nghịch đảo của điện trở gọi là điện dẫn: g 1 S g 1 S . R l l Trong đó: - là điện dẫn suất (Sm/mm2), = 1/ Điện dẫn suất phụ thuộc vào bản chất dẫn điện của từng vật liệu, điện dẫn suất càng lớn thì vật đẫn điện càng tốt.
Nếu dòng điện i biến thiên thì từ thông cũng biến thiên và theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm: eL = - dψ /dt = - L di/dt Quan hệ giữa dòng điện và điện áp: uL = - eL = L di/dt Công suất tức thời trên cuộn dây: pL= uL.i = Li di/dt Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây. -Phần tử điện dung Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện.uc Nếu điện áp uc biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện: i= dq/dt = C. Đơn vị: F(Fara) các bội số khác: F, nF, pF 1F = 106F 1F = 109nF 1F = 1012pF Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường (phóng tích điện năng) trong tụ điện. Các phép biến đổi trong mạch điện a.
Điện trở mắc nối tiếp, song song - Điện trở mắc nối tiếp - Là cách ghép sao cho chỉ có một dòng điện duy nhất chạy qua các phần tử (Hình 1. - Dòng điện: I = I1 = I2 = … = In - Điện áp: U = U1 + U2 + … + Un - Điện trở: R = R1 + R2 + … + Rn R1 I. I R2 R1 R2 Rn + U - Rn Hình 1.8 a: Đấu nối tiếp các điện trở Hình 1.8 b: Đấu song song các điện trở - Đấu song song điện trở (ghép phân nhánh) -Là cách ghép sao cho tất cả các phần tử đều đặt vào cùng một điện áp (Hình 1. - Điện trở: 1 1 1 1 +⋯ = + 𝑅 𝑅1 𝑅2 𝑅𝑘 - Điện áp: U = U1 = U2 = … = U n - Dòng điện: I = I1 + I 2 + … + In b.
Biến đổi tam giác – sao, sao – tam giác Biến đổi - Y và Y - -Đấu sao (): là cách đấu 3 điện trở có một đầu đấu chung, 3 đầu còn lại đấu với 3 điểmkhác của mạch (Hình 1. 11 A A RA RC A RA B C B RC RB RBC C B a b Hình 1.a: Tải đấu kiểu sao Hình 1 - 14 Hình 1.b: Tải đấu kiểu tam giác -Đấu tam giác (): Là cách đấu 3 điện trở thành một tam giác kín, mỗi cạnh tam giác là một điện trở, mỗi đỉnh tam giác là một nút của mạch điện được nối tới các nhánh khác của mạch điện (Hình 1. Trong nhiều trường hợp việc thay đổi 3 điện trở đấu hình tam giác thành 3 điện trở đấu hình sao tương đương hoặc ngược lại sẽ làm cho việc phân tích mạch điện được dễ dàng hơn. -Điều kiện để biến đổi là không làm thay đổi dòng điện, điện áp của các phần mạch điện còn lại.
- Biến đổi sao – tam giác ( - ). Công thức biến đổi từ hình sao sang hình tam giác: RA .RB RAB RA RB R C RB .RC RBC RB RC R A RC .