CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1. 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 thưc tính toán cơ bản.
- Rèn luyện được tính cẩn thận, phương pháo học tư duy và nghiêm túc trong công việc. Nội dung chương 2. Mạch điện và mô hình 2. Mạch điện Là một hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại trong đó xảy ra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ đo bởi các đại lượng dòng điện, điện áp.
Mạch điện được cấu trúc từ các phần tử mạch điện. Hai loại phần tử chính của mạch điện là nguồn và phụ tải. Nguồn là các phần tử dùng để cung cấp năng lượng điện hoặc tín hiệu điện cho mạch, ví dụ như máy phát điện (biến đổi cơ nàng thành điện năng), ắc qui (biến đổi hóa năng sang điện nàng), cảm biến nhiệt, V. Phụ tài là các thiết bị nhận năng lượng điện hay tín hiệu điện, ví dụ như động cơ điện (biến điện nàng thành cơ năng), đèn điện (biến điện năng sang quang năng), bếp điện, bàn là, ống tia điện tử, V.
Ngoài hai loại chính trên, trong mạch điện còn có nhiễu loại phần tử khác nhau như: phần tử dùng để nối nguồn với phụ tải (ví dụ dây nối, đường dây tải điện), phần tử làm thay đổi áp và dòng trong các phần khác của mạch (máy biến áp, máy biến đòng), phần tử làm giảm hoặc tăng cường các thành phần nào đó của tín hiệu (các bộ lọc, bộ khuếch đại), V. Trên mỗi phần tử thường có một số đầu nối ra gọi là các cực dùng để nối 7 nó với các phần tử khác. Dòng điện đi vào hoặc ra phần tử từ các cực. Phần tử có thể có hai cực, ba cực, bốn cực hay nhiều cực.
Ví dụ, cuộn dây, tụ điện là phần tử hai cực Transistor là phần tử ba cực; ináy biến áp, khuếch đại thuật toán là phần tử nhiều cực. • Nếu phần tử có kích thước râ't nhỏ so với độ dài của bước sóng điện từ, thì trên các cực của phần tử có thế định nghĩa các đại lượng dòng điện, điện áp và có thể dùng hai đại lượng này đế đo cường độ chung (xét về toàn bộ) của quá trình điện từ xảy ra bên trong phần tử. Điện áp và dòng điện được định nghĩa như sau: - Điện áp giữa điểm A với điểm B là công cần thiết để làm dịch chuyển một đơn vị điện tích (1 coulomb) từ A đến B. Đơn vị của điện áp là vôn (V).
Điện áp được ký hiệu là u.l: u - là điện áp giữa A với B: dấu + được đặt ở phía A dấu - ở phía B. Đôi khi thay vì dùng các dấu +, - +u UAB - điện áp giữa A với B. và ta có: UAB = - UBA Hình 1.2b tương đương với nhau. - Dòng điện là dòng các điện tích chuyến dịch có hướng.
Cường độ dòng điện (gọi tắt là dòng điện) là lượng điện tích dịch chuyển qua một bề mặt nào đó (tiết diện ngang của dây dẫn, nếu là dòng điện chảy trong dây dẫn) trong một đơn vị thời gian. Dòng điện được ký hiệu là i và đơn vị là ampe (A). Chiều dòng điện, theo định nghĩa, là chiều chuyển động của các điện tích dương (hay là ngược chiều với chiều chuyển động các điện tích âm). Để tiện lợi, người ta chọn tùy ý một chiều và ký hiệu bằng mũi tên như trên H.3 và gọi là chiều Hình 1.4b tương đương với nhau.
Các hiện tượng điện từ Các hiện tượng điện từ gồm rất nhiều vẻ, như hiện tượng chỉnh lưu, tách sóng, tạo hàm, tạo sóng, biến áp, khuếch đại, V. Tuy nhiên nêu xét theo quan điểm năng lượng thì quá trình điện từ trong mạch điện có thể qui về hai hiện tượng năng lượng cơ bản là hirn tượng biến đổi năng lượng và hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ. Hiện tượng biến đổi năng lượng Hiện tượng biến đối năng lượng có thể chia làm hai loại: - Hiện tượng nguồn: là hiện tượng biến đổi từ các dạng năng lượng khác như cơ năng, hóa nàng, nhiệt năng v. thành năng lượng điện từ.
- Hiện tượng tiêu tán: là hiện tượng biến đổi năng lượng điện từ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, cơ, quang, hóa năng tiêu tán đi không hoàn trở lại trong mạch nữa. Hiện tượng tích phóng năng lượng. Hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ là hiện tượng năng lượng điện từ được tích vào một vùng không gian có tồn tại trường điện từ hoặc đưa từ vùng đó trả lại bên ngoài. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta coi sự tồn tại của một trường điện từ thống nhất gồm hai mặt thê hiện: trường điện và trường từ.
Vì vậy hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ cũng gồm hiện tượng tích phóng năng lượng trong trường từ và hiện tượng tích phóng năng lượng trong trường điện. Bởi vì dòng điện và trường điện từ có liên quan chặt chẽ với nhau nên trong bất kỳ thiết bị điện nào cũng đều xảy ra cả hai hiện tượng biến đổi và tích phóng năng lượng. Nhưng có thể trong một thiết bị thì hiện tượng năng lượng này xảy ra mạnh hơn hiện tượng năng lượng kia. Ví dụ, ta xét các phần tử thực là điện trở, tụ điện, cuộn dây, ắc qui.
Trong tụ điện, hiện tượng năng lượng chủ yếu xảy ra là hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện. Ngoài ra do điện môi giữa hai cốt tụ có độ dẫn điện hữu hạn nào đó nên trong tụ cũng xảy ra hiện tượng tiêu tán biến điện nàng thành nhiệt năng. Trong cuộn dây xảy ra chủ yếu là hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ. Ngoài ra dòng điện dần cũng gây ra tổn hao nhiệt trong dây dẫn của cuộn dây nên trong cuộn dây cũng xảy ra hiện tượng tiêu tán.
Trong cuộn dây cũng xảy ra hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện nhưng thường rất yêu và có thể bỏ qua nếu tần sô làm việc (và do đó tốc độ biến thiên của trường điện từ) không lớn lắm. Trong điện trở thực, hiện tượng chủ yếu xảy ra là hiện tượng tiêu tán biến đổi năng lượng trường điện từ thành nhiệt năng. Nếu trường điện từ biến thiên không lớn lắm, có thể bỏ qua dòng điện dịch (giữa các vòng dây quấn hoặc giữa các lớp điện trở) so với dòng điện dẫn và bỏ qua sức điện động cảm ứng so với 9 sụt áp trên điện trở, nói cách khác bỏ qua hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ. Mô hình mạch điện.
Phần tử điện trở. Mô hình mạch dùng trong lý thuyết mạch điện, được xây dựng từ các phần tử mạch lý tưởng sau đây: - Phần tử điện trở: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng điện từ. Ký hiệu của phần tử điện trở như trên H. Quan hệ giữa dòng và áp trên hai cực của phần tử điện trở ở dạng u - Ri, trong đó R là một thông số cơ bản của mạch điện đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng, gọi là điện trở.
Phần tử điện cảm. - Phần tử điện cảm: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ, ký hiệu như trên H. Quan hệ giữa dòng và áp trên phần tử d điện cảm thường có dạng u = L i , trong đó L là một thông số cơ bản của mạch dt điện đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ, gọi là điện cảm. Phần tử điện dung.
Là phần từ đặc trưng cho hiện tiện tích phóng năng lượng trường điện, ký du hiệu như H. Quan hệ giữa dòng và áp thường có dạng i = C trong đó C dt gọi là điện dung là một thông số cơ bản của mạch điện đặc trưng cho hiện tượng phóng tích năng lượng trường điện. Phần tử nguồn. Là phần tử đặc trưng cho hiện tượng nguồn.
Phần tử nguồn gồm hai loại: phần tử nguồn áp (H.5d) và phần từ nguồn dòng (H. Phương trình trạng thái của phần từ nguồn có dạng u(t) = e(t), trong đó e(t) không thụ thuộc và dòng i(t) chảy qua phần tử và được gọi là sức điện động. Phương trình trạng thái của phần từ nguồn dòng có dạng i(t) = j(t), trong đó j(t) không phụ thuộc áp u(t) trên hai cực của phần tử e(t) và u(t) là hai thông số cơ bản của mạch điện đặc trưng cho hiện tượng nguồn, đo khả năng phát của nguồn. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện.
Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện. Định nghĩa dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. Trong một mạch điện, dòng điện được tạo ra từ sự di chuyển của các hạt electron dọc theo chiều dài dây dẫn. Bên cạnh đó thì các hạt mang điện cũng có thể là ion hay chất điện ly nữa đấy.
Vì chúng cũng là dòng electron di chuyển và có hướng theo dây dẫn mà đi qua các thiết bị tiêu thụ điện để phục vụ nhu cầu của con người. Dòng điện thường được các nhà khoa học quy ước là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích dương. Khi đó trong mạch điện có dây dẫn kim loại, electron là các hạt mang điện, dòng electron có độ lớn bằng với độ lớn của dòng điện và có chiều ngược với chiều của dòng điện trong mạch Dòng điện thường được ký hiệu bằng ký hiệu I. Định luật Ohm, liên quan đến dòng điện chạy qua một dây dẫn đến điện áp V và điện trở R; đó là, V = IR.
Một tuyên bố khác của luật Ohm, là I = V / R. Quy ước về chiều dòng điện là chiều từ cực dương đi qua dây dẫn và các dụng cụ điện tới cực âm của nguồn điện. Theo định nghĩa dòng điện là dòng dịch chuyển của các hạt mang điện tích, chúng ta sẽ xác định được cực dương và cực âm theo chiều của chúng. Có quy ước rằng: Hướng hiện tại là theo nơi mà một điện tích dương sẽ di chuyển, chứ không phải là một điện tích âm.
Vì vậy, nếu các electron thực hiện chuyển động thực tế trong một tế bào theo một chiều nhất định, thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại. Dòng điện chạy ngược chiều với các hạt mang điện tích âm, chẳng hạn như electron trong kim loại.