CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mục tiêu: - Phân tích được nhiệm vụ, vai trò của các phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt. - Giải thích được cách xây dựng mô hình mạch điện, các phần tử chính trong mạch điện. Phân biệt được phần tử lý tưởng và phần tử thực. - Phân tích và giải thích được các khái niệm cơ bản trong mạch điện, hiểu và vận dụng được các biểu thức tính toán cơ bản.
- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong tính toán Nội dung: 1. Mạch điện và mô hình 1. Tổng quát về mạch điện 1. Các mô hình toán trong mạch điện 1.
Các hiện tượng điện từ 1. Mô hình mạch điện 2. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện 2. Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện 2.
Cường độ dòng điện 2. Mật độ dòng điện 3. Các phép biến đổi tương đương 3. Nguồn áp ghép nối tiếp 3.
Nguồn dòng ghép song song 3. Điện trở ghép nối tiếp, song song 3. Biến đổi ∆ - Y và Y - ∆ 3. Biến đổi nguồn tương tương 1.
MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ HÌNH 1. Tổng quát về 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 loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn.1-Mô hình mạch điện cơ bản Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng thành điện năng.2- Một số nguồn điện thông dụng 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.3- Một số loại tải thông dụng Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng kim loại (đồng, nhôm ) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải.
Các mô hình toán trong mạch điện: - Trong thực tế thường gặp các thiết bị điện, để khảo sát các thiết bị đó cần phải tìm ra qui luật của các hiện tượng, các quá trình điện từ xảy ra trong thiết bị 9 đó và xác định các thông số trạng thái, thông số đặc trưng của quá trình. Đồng thời tìm cách mô tả qui luật các quá trình bằng phương trình liên hệ giữa các thông số. Để làm được việc đó ta có thể đưa về 2 mô hình: Mô hình trường và mô hình mạch - MÔ HÌNH TRƯỜNG giải bài toán trường điện từ với cường độ điện trường E, cường độ từ trường H phân bố trong không gian, theo thời gian. Bài toán này thường rất khó vì phải giải phương trình vi phân riêng trong không gian theo thời gian.
- MÔ HÌNH MẠCH có thể đưa về mô hình mà trạng thái của quá trình chỉ phân bố theo thời gian t với số biến thường là hữu hạn. Mô hình này được gọi là mô hình mạch, Với mô hình này việc giải bài toán được dễ dàng hơn vì phương trình liên hệ giữa các biến là phương trình vi phân thường theo thời gian. Mạch điện: Kết cấu hình học của mạch: - 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, không biến thiên theo toạ độ không gian dọc theo nhánh và chỉ biến thiên theo thời gian t. Ta ký hiệu số nhánh của mạch điện bằng chữ m.
- NÚT Là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. Số nút thường ký hiệu bằng chữ n. * Chú ý: Trong thực tế đôi khi người ta dùng khái niệm nút mở rộng, nó được định nghĩa là nơi gặp nhau của từ 3 nhánh trở lên. Ví dụ: Tranzixtor có thể coi là một nút.
- VÒNG (Còn gọi là mạch vòng) Là lối đi khép kín qua các nhánh - CÂY là một phần của mạch gồm các nhánh (gọi là cành) nối đủ các nút theo một kết cấu hở không có vòng nào Số lượng cành trong cây là n - 1. - BÙ CÂY là phần mạch còn lại bù với cây để tạo thành mạch hoàn chỉnh 10 Công suất điện từ: Hay còn gọi là bù cây. Số lượng bù cây là m - (n-1). Hay còn gọi là công suất tiếp nhận p(t) được định nghĩa bằng tích các giá trị tức thời của điện áp và dòng điện:p(t) = u(t)i(t).
Công suất điện từ cũng có thể dương hoặc âm tuỳ thuộc vào việc qui ước chiều và giá trị của điện áp và dòng điện trong nhánh: - Nếu một nhánh nào đó có u và i cùng chiều nhau thì khi p > 0 ta nói rằng nhánh ấy thu năng lượng, khi p > 0 ta nói rằng nhánh phát ra năng lượng và ngược lại. Thông thường, chiều dương của điện áp được chọn trùng với chiều dương của dòng điện. Hiện tượng tích luỹ: là quá trình cất giữ năng lượng điện từ vào không gian xung quanh thiết bị điện mà không tiêu tán. Khi trường điện từ tăng lên thì năng lượng điện từ được tích luỹ thêm vào không gian.
Khi trường điện từ giảm đi năng lượng đó lại được đưa ra cung cấp cho các phần tử khác. Vì vậy hiện tượng tích luỹ còn gọi là hiện tượng tính phóng. Vì vậy hiện tượng tích luỹ còn gọi là hiện tượng tích phóng. Các hiện tượng điện từ: 1.
Hiện tượng biến đổi năng lượng: Gồm 2 hiện tượng ngược nhau: - Hiện tượng phát (hay còn gọi là hiện tượng nguồn): chuyển hoá các dạng năng lượng khác như cơ, hoá , nhiệt năng… thành năng lượng điện từ. Ví dụ: hiện tượng nguồn như trong pin gavalnic, acqui, máy phát điện, pin mặt trời… - Hiện tượng tiêu tán năng lượng: chuyển hoá năng lượng điện từ thành các dạng năng lượng khác như cơ, quang, hoá năng… Ví dụ: như trong đèn sợi đốt, lò nung, môtơ điện… 1. Hiện tượng tích phóng năng lượng: Gồm 2 hiện tượng: - Hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường ứng với vùng kho điện là vùng năng lượng điện trường tập trung vào vùng điện trường của một không 11 gian như các bản cực của tụ điện hoặc ngược lại đưa từ vùng đó trả lại nguồn trường điện từ. - Hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường ứng với vùng kho từ là vùng năng lượng điện từ tích từ trường vào không gian như lân cận một cuộn dây có dòng điện hoặc ngược lại đưa trả từ vùng đó trở lại nguồn trường điện từ.
Mô hình mạch điện: 1. 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 (ôm). + Công suất điện trở tiêu thụ: p = i2.4- Quan hệ dòng và áp của mạch thuần trở 1. Phần tử điện cảm: + Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng, từ thông Φ do dòng điện sinh ra sẽ móc qua W vòng của cuộn dây, tạo ra từ thông móc vòng ψ = W.Φ + Điện cảm của cuộc dây: L = ψ/i = W.Φ/i + Đơn vị điện cảm là Henry (H).
+ 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 = - Ldi/dt + Quan hệ giữa dòng điện và điện áp: uL = - eL = L.di/dt + Công suất tức thời trên cuộn dây: pL = uL.di/dt 12 + Năng lượng từ trường của cuộn dây: t i 1 WM p L .dt Lidi Li 2 0 0 2 + Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây.5-Quan hệ dòng và áp của mạch thuần cảm 1. Phần tử điện dung: + Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện (hình 1.6), 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.duc /dt + Ta có: 1 uC idt C + Công suất tức thời của tụ điện: pc = uc.duc/dt + Năng lượng điện trường của tụ điện: t u 1 WE pC .dt CuC duC Cu 2 0 0 2 + 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- Quan hệ dòng và áp của mạch thuần dung 13 1. Phần tử nguồn: a.
Nguồn điện áp Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn.7- Chiều điện áp và sức điện động trong mô hình mạch 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) b. 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.8-Nguồn dòng điện 1.
Phần tử thật: Phần tử thật là những thiết bị thực tế, nó có thể bao gồm cả phần tử điện trở, điện cảm, điện dung, nguồn áp hoặc nguồn dòng… Ví dụ: quạt trần cấu tạo gồm dây quấn, stato, roto, tụ đề và một số phụ đề khác. Phân tích quạt trần ta thấy nó là một phần tử thật mà mô hình bao gồm 14 phần tử điện cảm (của dây quấn), điện dung (của tụ điện) và phải kể đến phần tử điện trở của dây quấn (trong trường hợp lý tưởng điện trở dây quấn bằng không…) Vậy khi phân tích một phần tử thất ta phải vận dụng kiến thức tổng quát về mạch điện, điện trường, từ trương, cơ học… 2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 2. Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện: Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang một vật dẫn: i = dq/dt Hình 1.9- Chiều qui ước dòng điện Chiều dòng điện qui ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường.2 Cường độ dòng điện: Khi có dòng điện chạy qua một vật dẫn thì trong khoảng thời gian nhỏ t có một lượng điện tích (điện lượng) q di chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn đó.