Chương 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 Mạch điện, kết cấu hình học của mạch điện 1.1 Định nghĩa mạch điện Mạch điện là tập hợp tất cả các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các loại phần tử sau: Nguồn điện, phụ tải, dây dẫn 1.2 Các bộ phận cơ bản của mạch điện a. Nguồn điện: Là các thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lý nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng.
VD pin, ắc quy, máy phát. Phụ 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. Dây dẫn điện: Làm nhiệm vụ truyền tải điện năng từ nguồn đến tải; dây dẫn điện thường được chế tạo bằng kim loại màu.3 Kết cấu hình học cơ bản của mạch a. Nhánh: Là một đoạn mạch gồm những phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy thông từ đầu nọ đến đầu kia, Ký hiệu số nhánh của mạch điện bằng chữ m.
Nút: Là điểm gặp nhau của ba nhánh trở lên. Số nút ký hiệu bằng chữ n c. Mạch vòng (vòng):Là lối đi khép kín bất kỳ qua các nhánh của mạch.Vòng ký hiệu bằng chữ v Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Điện 13 Giáo trình Lý thuyết mạch ĐHCN Việt-Hung 1.2Các đại lượng đặc trưng cho quá trình năng lượng của mạch 1.1 Dòng điện i(t) - Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tích dưới tác dụng của lực điện trường. - Dòng điện biến thiên theo thời gian ký hiệu bằng chữ i, dòng điện không đổi ký hiệu chữ I.
Cường độ dòng điện tính (trong đó q là điện tích qua tiết diện ngang của vật dẫn), có đơn vị là ampe (A). - Chiều dương quy ước của dòng điện là chiều chuyển dời của các hạt mang điện tích dương. Hiệu điện thế giữa hai điểm bất kỳ trong mạch được gọi là điện áp ( U) UAB = A - B - Điện áp ký hiệu u hoặc U, có đơn vị là vol (V). - Chiều dương quy ước của điện áp là đi từ điểm có điện thế cao tới điểm có điện thế thấp.
- Tương tự như dòng điện, ta có thể tuỳ ý giả thiết chiều dương của điện áp bằng mũi tên trên hình vẽ, rồi theo kết quả ta sẽ được chiều dương thực của điện áp. Nếu kết quả tính toán cho ta biết u(t) = uab = ja - jb> 0: điểm a có điện thế cao hơn điểm b và ngược lại. Chú ý: Nên chọn chiều dương của dòng điện, điện áp trùng nhau.3 Chiều dương dòng điện và điện áp Khi tính toán ta chọn dòng điện và điện áp tùy ý, sau khi tính toán xong nếu dòng điện và điện áp có giá trị dương thì chiều đã chọn là đúng, nếu cho giá trị âm thì chiều đã chọn ngược với chiều thực tế Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Điện 14 Giáo trình Lý thuyết mạch ĐHCN Việt-Hung 1.4 Công suất Công suất điện từ được định nghĩa bằng tích của điện áp với dòng điện: p(t) = u(t).i(t) - Trong mạch điện, một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng tùy thuộc vào chiều của dòng điện và điện áp - Khi chiều dương dòng điện và điện áp trùng nhau nếu p(t)>0 thì nhánh tiếp nhận (thu) năng lượng điện từ. - Khi chiều dương dòng điện và điện áp trùng nhau nếu p(t)< 0: nhánh đưa ra (phát) năng lượng điện từ.3 Mô hình mạch điện và các thông số.1 Mô hình mạch điện Mô hình mạch điện còn được gọi là sơ đồ thay thế mạch điện.
Trong đó kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như ở mạch điện thực nhưng các phần tử của mạch điện đã được mô hình hóa bằng các thông số lý tưởng như e, J , L, R, C. Để thành lập mô hình mạch điện ta liệt kê các hiện tượng năng lượng xảy ra trong từng phần tử và thay thế bằng các thông số lý tưởng rồi nối với nhau theo kết cấu hình học của mạch điện Ví dụ: vẽ sơ đồ mạch điện của hệ thống gồm máy phát điện xoay chiều cung cấp điện cho 2 bóng đèn sợi đốt và một quạt trần. Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Điện 15 Giáo trình Lý thuyết mạch ĐHCN Việt-Hung 1. Các thông số đặc trưng cho hiện tượng nguồn a.
Nguồn áp u(t), sức điện động (s.đ) e(t) - Nguồn áp u(t) hay nguồn sức điện động e(t): là một thông số của mạch điện, nó đặc trưng cho khả năng tạo ra và duy trì trên các cực nguồn một hàm điện áp, còn gọi là sức điện động biến thiên theo thời gian với quy luật nhất định nào đó, không phụ thuộc vào mạch ngoài. - Sơ đồ thay thế của nguồn điện một chiều thường được thay thế bằng nguồn SĐĐ E mắc nối tiếp với điện trở trong của nguồn Rn Chiều của u(t) có chiều quy ước từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp, còn chiều của e(t) là từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao Phương trình trạng thái: e(t)= u(t) b. Nguồn dòng j(t): Là một thông số của mạch điện, nó đặc trưng cho khả năng tạo ra và duy trì trên 2 cực của nguồn một hàm dòng điện j(t) biến thiên theo thời gian theo một quy luật nào đó và không phụ thuộc vào mạch ngoài. Trong sơ đồ mạch nguồn dòng ký hiệu bằng một vòng tròn có mũi tên kép chỉ rõ chiều dương dòng điện bơm qua hoặc kí hiệu bằng hai mũi tên chỉ chiều nguồn dòng đi vào và đi ra Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Điện 16 Giáo trình Lý thuyết mạch ĐHCN Việt-Hung Phương trình trạng thái: j(t) = i(t) 1.
Thông số đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán - Điện trở R - Hiện tượng tiêu tán trong nhánh được đặc trưng bởi thông số gọi là điện trở của nhánh, ký hiệu là hình chữ nhật nối tiếp với đường dây, viết tắt là R Dòng điện và điện áp trên điện trở liên hệ với nhau qua biểu thức của định luật Ôm: ur = R.ir Người ta còn dùng khái niệm điện dẫn g = 1/R + Công suất tiêu thụ trên điện trở: p = ur .ir2 Điện trở R đặc trưng cho công suất tiêu tán trên điện trở R và có đơn vị là ôm () Điện năng tiêu thụ trên điện trở R trong khoảng thời gian t là : A = u. Thông số đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường - Điện cảm L Theo định luật Lenx-Faraday (luật cảm ứng điện từ) khi có dòng điện i chạy qua cuộn dây có W vòng, sẽ sinh ra từ thông móc vòng với cuộn dây: Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Điện 17 Giáo trình Lý thuyết mạch ĐHCN Việt-Hung y = wf Điện cảm của cuộn dây là: Đơn vị của điện cảm là Henry (H) Nếu dòng điện biến thiên thì từ thông cũng biến thiên, khi đó trong cuộn dây sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng Điện áp trên cuộn dây là: Công suất trên cuộn dây: Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây - Ý nghĩa của L: Điện cảm L đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Điện 18 Giáo trình Lý thuyết mạch ĐHCN Việt-Hung 1. Thông số đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường - Điện dung C Khi đặt một điện áp uC vào hai bản cực của tụ điện, trên các bản cực tụ sẽ được nạp những điện tích q q = C.uC C gọi là điện dung của tụ điện, đơn vị là Fara (F) Nếu điện áp uC biến thiên thì sẽ có dòng điện chuyển dịch qua tụ điện Theo định lý dòng chuyển dịch Măcxoen, dòng điện chạy qua tụ bằng: Nếu tại thời điểm t = 0 mà tụ điện đã có điện tích ban đầu uC(0) thì điện áp trên tụ là: Công suất trên tụ điện: Năng lượng tích lũy trong điện trường của tụ điện - Ý nghĩa của C: Điện dung C đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng điện trường trong tụ điện Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Điện 19 Giáo trình Lý thuyết mạch ĐHCN Việt-Hung 1. Hỗ cảm M Mạch điện ngoài sự liên hệ về điện còn có sự liên hệ về từ giữa các phần tử điện cảm trong mạch gọi là mạch điện có hỗ cảm Hiện tượng hỗ cảm là hiện tượng xuất hiện từ trường trong một cuộn dây do dòng điện biến thiên trong cuộn dây khác tạo nên Xét hai cuộn dây w1 và w2 có quan hệ hỗ cảm với nhau Từ thông hỗ cảm trong cuộn 2 do dòng điện cuộn 1 tạo nên là M là hệ số hỗ cảm giữa hai cuộn dây Nếu i1 biến thiên thì điện áp hỗ cảm trên cuộn 2 do cuộn 1 tạo nên là: tương tự điện áp hỗ cảm trên cuộn 1 do dòng điện i2 là: Đơn vị của hỗ cảm là Henry (H) - Để xác định chiều của điện áp hỗ cảm ta dựa vào các cực cùng tính của các cuộn dây có quan hệ hỗ cảm với nhau.
Các cực cùng tính phụ thuộc vào chiều quấn dây và vị trí của các cuộn dây có hỗ cảm Các cực cùng tính là các cực của các cuộn dây điện cảm có tính chất giống nhau, đó là các cực mà nếu cho cùng một dòng điện đi vào đó nó sẽ sinh ra từ thông có chiều giống nhau. Chiều của điện áp hỗ cảm có chiều trùng với chiều của dòng điện gây ra hỗ cảm đó. Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Điện 20 Giáo trình Lý thuyết mạch ĐHCN Việt-Hung Trên sơ đồ để thể hiện các cực cùng tính ta ký hiệu bằng dấu (*) hoặc (•) và để thể hiện hai cuộn dây có quan hệ hỗ cảm ta dùng mũi tên cong hai chiều. VD: Cách xác định chiều điện áp hỗ cảm ulk: Trong thực tế việc xác định cực tính của các cuộn dây có quan hệ hỗ cảm bằng thí nghiệm: Đặt điện áp U1 vào cuộn dây L1 trong cuộn dây L1 sẽ có dòng điện i1, dòng điện này sẽ sinh ra điện áp hỗ cảm trên cuộn dây L 2, trên cuộn dây L2 sẽ có dòng điện i2, dòng điện này sẽ sinh ra điện áp hỗ cảm trên cuộn dây L1.