CHƯƠNG 1:MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 6 Mã chương: MH08-01 Thời gian: 18 giờ (LT: 04; TH: 04; Tự học: 10) Giới thiệu: Chương này bàn đến một số định lý và định luật của mạch điện một chiều. Việc áp dụng các định luật, định lý này giúp ta giải quyết nhanh một số bài toán đơn giản hoặc biến đổi một mạch điện phức tạp thành một mạch đơn giản hơn, tạo thuận lợi cho phân tích mạch điện một chiều. Giải quyết tốt các bài toán một chiều sẽ tạo cơ sở tốt cho việc phân tích mạch điện xoay chiều được trình bày ở các chương sau. Mục tiêu: - Trình bày được các định luật cơ bản của mạch điện một chiều, các phép biến đổi tương đương và nguyên lý xếp chồng; - Giải được các bài toán mạch điện một chiều theo phương pháp dòng điện nhánh, dòng điện mạch vòng và điện thế nút.KHÁI NIỆM VỀ NGUỒN ĐIỆN MỘT CHIỀU, PHỤ TẢI VÀ MÁY PHÁT MỘT CHIỀU a.
Nguồn điện Là các thiết bị điện dùng để biến đổi các dạng năng lượng khác sangđiện năng cung cấp năng lượng cho mạch điện. Các nguồn điện hay gặp trong thực tế: - Máy phát điện: biến đổi cơ năng thành điện năng - Pin, ắc quy: Biến đổi năng lượng hoá học thành điện năng - Pin mặt trời: Biến đổi quang năng thành điện năng b. Phụ tải điện Là thiết bị điện biến điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, quang năng, nhiệt năng. Trên sơđồ mạch điện hình 1.
các bóng đèn tròng là phụ tải điện, chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng. Trong các mạch điện một chiều các phụ tải điện được biểu thị bằng một điện trở R. Dây dẫn Là vật dẫn bằng kim loại dùng để nối từ nguồn đến phụ tải thường kết cấu dưới dạng các đường dây dài có một lõi, nhiều lõi, có vỏ bọc hoặc không có vỏ bọc dùng để chuyển tải dòng điện từ nguồn điện đến phụ tải. Vậy: mạch điện là một hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại bằng các dây dẫn.
Trong đó xảyra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ đo bởi các đại lượng dòng điện, điện áp. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG TRONGMẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Dòng điện - Dòng điện: là dòng các điện tích chuyển dời có hướng dưới tác dụng của điện trường. - Qui ước:chiều dòng điện hướng từ cực dương về cực âm của nguồn hoặc từ nơi có điện thếcao đến nơi có điện thế thấp.
- Cường độ dòng điện: là đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện. Cường độ dòng điệnđược tính bằng lượng điện tích chạy qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong một đơn vị thờigian.Đơn vị của dòng điện là ampe (A). - Bản chất dòng điện trong các môi trường : +Trong kim loại: lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại có rất ít electron, chúng liênkết rất yếu với các hạt nhân và dễ bật ra thành các electron tự do. 7 Dưới tác dụng củađiện trường các electron tự do này sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện.
+ Trong dung dịch: các chất hoà tan trong nước sẽ phân ly thành các ion dương tự do vàcác ion âm tự do. Dưới tác dụng của điện trường các ion tự do này sẽ chuyển động cóhướng tạo nên dòng điện. + Trong chất khí: khi có tác nhân bên ngoài (bức xạ lửa, nhiệt…) tác động, các phần tửchất khí bị ion hoá tạo thành các ion tự do. Dưới tác dụng của điện trường chúng sẽchuyển động tạo thành dòng điện.
Điện áp - Điện áp là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của dòng điện. Trong mạch điện, tại các điểm đều có một điện thế xác định φ. Hiệu điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp ký hiệu là U. Ta có: UAB= φA - φB Trong đó: φA: điện thế tại điểm A và φB: điện thế tại điểm B.
UAB: là điện áp hay hiệu điện thế giữa A và B. - Qui ước: Chiều điện áp là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp.Đơn vị điện áp là vôn (V). Điện áp và dòng điện trên điện trở 1. Công suất Công suất P là đại lượng đặc trưng cho khả năng thu và phát năng lượng điện trường của dòng điện.
Công suất được định nghĩa là tích số của dòng điện và điện áp: P = U.I - Nếu dòng điện và điện áp cùng chiều thì dòng điện sinh công dương P > 0 (phần tử đó phát năng lượng) - Nếu dòng điện và điện áp ngược chiều thì dòng điện sinh công âm P < 0 (phần tử đó thu năng lượng) - Đơn vị công suất là watt (W, kW, MW). MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Nguồn điện áp và nguồn dòng điện a. Nguồn áp một chiều Nguồn áp một chiều có ký hiệu là E và đơn vị: Volt (V).
Ký hiệu nguồn áp một chiều như trong hình 1. Ký hiệu của nguồn áp một chiều độc lập b. Nguồn dòng một chiều Nguồn dòng một chiều có ký hiệu là J và đơn vị Ampe (A). Ký hiệu nguồn dòng một chiều như hình 1.
Ký hiệu của nguồn dòng một chiều độc lập 8 1. Điện trở R Điện trở đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng, ký hiệu là R, có đơn vị là Ω (Ohm) Hình 1. Ký hiệu điện trở trong mạch điện 1. Thiết lập mô hình mạch điện một chiều Hình 1.5 cho ví dụ về một mạch điện.
Trong mạch điện này chúng ta thấy gồm có nguồn điện E, công tắc K, các bóng đèn tròn Đ 1, Đ2 và dây dẫn liên kết giữa nguồn điện đến các bóng đèn qua công tắc K. Để vận hành mạch điện chúng đóng công tắc K. Dòng điện I xuất phát từ nguồn E đi theo dây dẫn cung cấp dòng điện I1, I2 cho bóng đèn Đ1, Đ2. Mạch điện bóng đèn tròn - Nhánh: là 1 đoạn mạch có chứa một phần tử hoặc nhiều phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy thông từ đầu nọ đến đầu kia.
Số nhánh trong một mạch điện được ký hiệu là m Hình 1.6 mô tả một nhánh của mạch điện hình 1. Trên nhánh này có chứa bóng đèn Đ1 và có dòng điện I1 đi qua. Nhánh nối giữa hai điểm nút A và B. Một nhánh của mạch điện - Nút: là giao điểm gặp nhau của 3 nhánh trở lên.
Số nút trong một mạch điện được ký hiệu là n.7 mô tả điểm nút A của mạch điện hình 1. Tại nút A có dòng điện I xuất phát từ nguồn E đi vào, hai dòng điện I 1, I2 đi ra từ nút A đi qua hai nhánh chứa hai bóng đèn Đ1 và Đ2. Một nút của mạch điện - Vòng (mạch vòng): là một lối đi xuất phát từ một nút khép kín qua các nhánh và trở về chính nút đó. Một vòng mạch điện là sự kết hợp giữa các nút và các nhánh trong mạch điện đó.8 mô tả một vòng của mạch điện hình 1.
Mạch vòng này được kết hợp từ nhánh thứ nhất chứa bóng đèn Đ 1 với nhánh thứ hai chứa bóng đèn Đ 2 và hai nút của mạch điện là A, B. Một vòng của mạch điện - Vòng độc lập: Trong số các mạch vòng của một mạch điện ta chọn ra một số lượng vòng gọi là vòng độc lập. Tính chất của các vòng độc lập là các vòng này không phải là tổ hợp từ các vòng còn lại. Người ta thường ký hiệu số vòng độc lập là v.
Nếu trong một mạch điện nếu xác định được số nút n, số nhánh m thì số vòng độc lập được tính theo biểu thức: v=m-n+1 Một mạch điện thực tế có thể được mô hình hoá thành mạch điện nguyên lý với các phần tử được tổ hợp sao cho sát với nguyên lý làm việc của thiết bị thật. Do vậy khi phân tích các mạch điện thực tế thì ta có thể tiến hành trên các mạch điện đã được mô hình hoá. Bước đầu tiên để phân tích các mạch điện này là cần phải xác định được số nút, số nhánh và số vòng của mạch điện. Ví dụ 1: Cho mạch điện như hình dưới.
Hãy cho biết mạch điện trên có baonhiêu nhánh, bao nhiêu nút, bao nhiêu vòng và bao nhiêu vòng độc lập? Giải Mạch điện trên gồm: - Có 3 nhánh: Nhánh 1: gồm phần tử R1mắc nối tiếp với nguồn E1, nhánh 2: gồm phần tử R2mắc nối tiếp nguồn E2, nhánh 3: gồm phần tử R3. Vậy n = 2 - Có 3 vòng:Vòng 1: nhánh 1, nhánh 3 nút A, nút B. Vòng 2: nhánh 2, nhánh 3, nút A, nút B. Vòng 3: nhánh 1, nhánh2, nút A, nút B.
- Số vòng độc lập: v = m - n + 1 = 3 - 2 + 1 = 2 1.CÁC ĐỊNH LUẬT CỦA MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Định luật Ôm (Ohm) Khi cho dòng điện đi qua điện trở R, U là điện áp đặt giữa 2 đầu R theo định luật ohm ta có: U=I.R Mô tả định luật Ohm như trong hình 1. Quan hệ giữa dòng và áp trên điện trở R 1. Định luật Kiêc-shốp(Kirchhoff) 10 a.
Định luật Kirchhoff1 Tổng đại số dòng điện tại 1 nút bằng 0: Ví dụ 2: Cho mạch điện như hình dưới.Xét tại nút A, theo định luật Kirchhoff 1 ta có: I1 + I2 + I3 = 0 Ví dụ 3: Cho mạch điện như hình dưới đây.Xét tại nút A, theo định luật Kirchhoff 1 ta có: I1 - I2 + I3 - I4 = 0 Quy ước: Nếu ta qui ước dòng điện đi vào nút A mang dấu cộng (+), thì dòng điện đi ra nút A mang dấu trừ (-) hoặc ngược lại. Định luật Kirchhoff2 Tổng đại số điện áp của các phần tử trong một vòng kín bất kỳ thì luôn bằng 0. Quy ước: Nếu chọn trước chiều của vòng đang xét thì điện áp rớt trên phần tử có chiều cùng với chiều vòng thì mang dấu “+” ngược chiều với chiều vòng thì mang dấu “-”. Ngược lại sức điện động trong vòng đó nếu cùng chiều với chiều vòng thì mang dấu “-”, ngược chiều với chiều vòng thì mang dấu “+”.
Ví Dụ 4: Cho mạch điện như hình dưới, viết định luật kirchhoff 2 cho vòng 1 và vòng 2 như sau: Xét vòng 1 (a, b, c, a) theo định luật Kirchhoff 2 ta có: Uab + Ubc + Uca = 0 Xét vòng 2 (a, d, b, a) theo định luật Kirchhoff 2 ta có: Uad + Udb + Uba = 0 1. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Để đơn giản hoá mạch điện người ta thường sử dụng các phép biến đổi tương đươngđể làm cho số nút, số nhánh của mạch điện giảm đi từ đó sẽ làm giảm được khối lượng tính toán.Cácphép biến đổi tương đương thường dùng: 1.