CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1. Mạch điện – Các biến cơ bản: dòng điện và điện áp. Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện, nối với nhau bằng các dây dẫn, tạo thành những vòng kín mà trong đó có dòng điện chạy qua. Mạch điện Mạch điện được cấu trúc từ nhiều thiết bị khác nhau, chúng thực hiện các chức năng xác định được gọi là phần tử mạch điện.
Có hai loại phần tử mạch điện chính là nguồn điện và phụ tải. a, Nguồn điện: Là thiết bị phát ra điện năng, về nguyên lý là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng. Ví dụ: Pin và acquy biến đổi hóa năng thành điện năng; máy phát điện biến cơ năng thành điện năng;…. Nguồn điện 6 b, Phụ tải: Phụ tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng, biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác.
Ví dụ: động cơ biến điện năng thành cơ năng; đèn điện biến điện năng thành quang năng;…. Phụ tải Ngoài hai loại chính trên, trong mạch điện còn có hệ thống dây dẫn nối tử nguồn đến tải để tạo thành một mạch vòng khép kín và để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải. Kết cấu hình học của mạch điện Kết cấu hình học của mạch điện gồm có nhánh, vòng, nút. + Nhánh là bộ phận của mạch điện, gồm có các phần tử được mắc nối tiếp với nhau và chỉ có một dòng điện duy nhất chạy qua.
+ Nút: là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. + Vòng: là đường đi khép kín qua các nhánh. Ví dụ: Mạch điện hình 1.1 có: 3 nhánh: Ký hiệu là 1, 2, 3 2 nút: Ký hiệu là a, b 3 vòng: Ký hiệu là I, II, III Bài tập ví dụ : Hãy xác định số nhánh, vòng, nút cho các mạch điện sau : I1 I2 I3 I1 I2 I3 I4 R1 R2 R1 R2 R3 R3 R4 E1 E2 E1 E2 E3 Mạch a Mạch b 7 1. Các biến cơ bản Để đặc trưng cho quá trình biến đổi năng lượng (quá trình năng lượng) trong một nhánh hay một phần tử của mạch điện ta dùng hai đại lượng : Dòng điện i và điện áp u.
Công suất của nhánh hoặc của phần tử là p = u. Dòng điện Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích. Cường độ dòng điện i (gọi tắt là dòng điện) về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang của một vật dẫn. Trong đó: q – là điện tích qua tiết diện ngang của vật dẫn trong thời gian t.
Trong hệ thống đơn vị SI (In the standard international system of units), dòng điện có đơn vị là A (Ampère). Quy ước về chiều dòng điện Chiều dòng điện, theo định nghĩa là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường (hay ngược chiều với chiều chuyển động các điện tích âm). Để tiện việc tính toán, người ta quy ước chiều dòng điện trên một nhánh bằng một mũi tên như hình 1.4a gọi là chiều dương dòng điện. Nếu tại một thời điểm nào đó, chiều dòng điện trùng với chiều dương thì i sẽ mang dấu dương (i>0, hình 1.4b), còn nếu chiều dòng điện ngược với chiều dương thì i sẽ mang dấu âm (i<0, hình 1.
Điện áp Điện áp là hiệu điện thế giữa hai điểm. Như vậy điện áp giữa hai điểm A và B trên hình 1.5a có điện thế φA và φB là: UAB = φA - φB Trong hệ thống đơn vị SI, điện áp có đơn vị là V (Volt). Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. Cũng để tiện cho việc tính toán, người ta quy ước chiều dương điện áp 8 trên một nhánh (thường trùng với chiều dương dòng điện) bằng một mũi tên và trên đó ta ghi ký hiệu điện áp của nhánh như hình 1.5a hoặc đánh dấu cộng và dấu trừ như hình 1.
Nếu uAB > 0 điện thế A cao hơn điện thế B; còn uAB < 0 điện thế A thấp hơn điện thế B. Quy ước về chiều điện áp 1. Công suất Trong một phần tử, một nhánh hay một mạch điện có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng. Khi chọn chiều dòng điện và điện áp trùng nhau, sau khi tính toán công suất p của nhánh, ta có thể kết luận như sau về quá trình năng lượng của nhánh.
Ở một thời điểm nào đó: p(t) = u(t). i(t) Nếu p(t) > 0: u và i cùng chiều, nhánh nhận năng lượng. p(t) < 0: u và i ngược chiều, nhánh phát năng lượng. Đơn vị đo của công suất là W (Oát) hoặc KW 1.
Điện năng Nếu điện áp u và dòng điện i trên một phần tử phụ thuộc vào thời gian t, điện năng tiêu thụ bởi phần tử từ t0 đến t là: Đơn vị của điện năng là J (Joule), Wh (Watt. Bội số của nó là kWh, đây chính là đơn vị để tính tiền điện. Điện trở R- Định luật Ohm. Điện trở R 9 Cho dòng điện i qua điện trở R (hình 1.6) và nó gây ra điện áp rơi uR trên điện trở.
Theo định luật Ohm, quan hệ giữa dòng điện i và điện áp uR là: uR = R.uR Trong đó: gọi là điện dẫn. Công suất tiêu thụ trên điện trở: PR = uR.i2 Như vậy điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu tán trên điện trở. Trong hệ SI, điện trở R có đơn vị là Ω (Ohm), điện dẫn là S (Simen). Điện năng tiêu thụ trên điện trở R trong khoảng thời gian t: với i = const, ta có: A = R.
* Định luật Ôm cho nhánh thuần R: Là định luật nói lên mối quan hệ giữa dòng điện qua đoạn mạch và điện áp giữa hai đầu đoạn mạch đó. Xét một đoạn vật dẫn chiều dài l, đặt điện áp U giữa hai đầu vật dẫn đó nó sẽ tạo ra điện trường với cường độ là: U l Dưới tác dụng của điện trường này các điện tích sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện. Điện trường càng mạnh thì mật độ dòng điện càng lớn, ta có quan hệ: trong đó là mật độ dòng điện, = I/s với s là tiết diện của vật dẫn. là điện dẫn suất phụ thuộc vào bản chất vật dẫn.
Thay biểu thức của vào ta có: I U S l Từ đó ta có quan hệ: S I U g U l Trong đó g là điện dẫn của đoạn mạch. Ta có: 1 1 l R g S 10 U I (1 - 14) R Biểu thức (1 - 14) chính là tinh thần của định luật Ôm cho một đoạn mạch. Định luật được phát biểu như sau: Dòng điện đi qua một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp giữa hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch đó. Điện cảm L- Định luật Lentz.
Cuộn dây Cho 1 cuộn dây có N vòng qua một dòng điện i thì trên cuộn dây sẽ sinh ra từ thông móc vòng với cuộn dây là: Ψ = N.Φ Điện cảm L của cuộn dây được định nghĩa là: Đơn vị của điện cảm là H (Henry). Nếu dòng điện i biến thiên theo thời gian t thì từ thông Ψ cũng biến thiên theo thời gian t và cuộn dây cảm ứng sức điện động (sđđ) tự cảm e L khi L = const. Điện áp rơi trên điện cảm: Công suất cuộn dây nhận: Biểu thức của điện áp gọi là biểu thức của định luật Lentz và điện cảm L đặc trưng cho hiện tượng tự cảm Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây: 11 Vậy: Như vậy điện cảm L đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây. Điện dung C- Dòng chuyển dịch Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện, sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện: q = C .uc Nếu điện áp uC biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện: i= dq/dt = C .duc /dt Hệ thức i là hệ quả của giả thiết Maxwell về dòng điện chuyển dịch qua môi trường điện môi giữa các bản cực của tụ điện dq du iC C.
C dt dt Trong đó ± q là điện tích trên các bản cực của tụ Do đó mà điện dung C đặc trưng cho hiện tượng dòng điện dịch chuyển. 1 C Ta có: uc idt Công suất tức thời của tụ điện: pc = uc .duc /dt Năng lượng điện trường của tụ điện: Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường (phóng tích điện năng) trong tụ điện. Đơn vị của điện dung là F (Fara) hoặc µF 6. Định luật Kirchhoff về các dòng.
Xét một nút của mạch điện, có một số dòng điện đi tới nút và một số dòng rời khỏi nút. Trong một giây, điện tích di chuyển đến nút phải bằng điện tích rời khỏi nút. Thực vậy nếu giả thuyết này không thoả mãn thì điện tích tại nút A sẽ thay đổi (tăng hay giảm) làm điện thế điểm A thay đổi phá vỡ trạng thái cân bằng của mạch. Vì thế tổng số học các dòng điện đến một nút phải bằng tổng số các dòng điện rời khỏi nút.8: Sơ đồ luật Kiếckhốp 1 Đối với nút A ta có: I1 + I3 + I5 = I2 + I4 - Nếu ta quy định dòng điện hướng tới nút là dương, dòng điện rời khỏi nút là âm (hay ngược lại) ta có công thức: I1 - I2 + I3 - I4 + I5 = 0 n .Ii = 0 i=1 Phát biểu: Tổng đại số các dòng điện đến một nút = 0 Ví dụ 1-3 : Cho mạch điện hình (1-9) xét tại nút A: theo định luật Kirchhoff 1 ta có: Hình1.9 Ví dụ 1-4 : Cho mạch điện hình (1-10) xét tại nút A: theo định luật Kirchhoff 1 ta có: 13 Hình1.
Định luật Kirchhoff cho các điện áp. Định luật kiếckhốp 2: Ta có mạch như hình vẽ. Xét 1 vòng của mạch điện gồm 4 nhánh AB, BC, CD, DA + Nhánh AB có dòng điện I1 hướng từ A B ngược chiều với sức điện động E1 là vật tiêu thụ điện.R1 (1) + Nhánh BC có dòng điện I2 hướng từ C B ngược chiều với sức điện động E2.R2 + Nhánh CD có I3 hướng từ D C cùng chiều E3 (sức điện động nguồn) ta có: UCD = C - D = E3 - I3.R3 (3) 14 + Nhánh AD không nguồn Ta có: UAD = A - D = I4.R4 Cộng (1) + (2) + (3) + (4) vế với vế ta có: 0 = (E1 + I1.