Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện Trang 6 phần tử tụ điện thật - Gồm có các loại: tụ điện dây quấn (giấy, màng), tụ (xếp) lớp và tụ hoá (điện phân). Ngoài giá trị điện phân và dung sai cần chú ý đến Umax, điện trở cách điện và đáp ứng với tần số của tụ điện. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 1.1 Dòng điện và chiều quy ước của dòng điện - Trong điện học và điện từ học, dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích. Vì đại lượng đặc trưng cho dòng điện là cường độ dòng điện, từ "dòng điện" thường được hiểu là cường độ dòng điện.
- Chiều của dòng điện thường quy ước là chiều từ cực dương đến cực âm của dòng điện, hay chiều của dòng điện trong vật dẫn ngược với chiều chuyển động của điện tử.2 Cường độ dòng điện Cường độ dòng điện qua một bề mặt được định nghĩa là lượng điện tích di chuyển qua bề mặt đó trong một đơn vị thời gian. Nó thường được ký hiệu bằng chữ I, từ chữ tiếng Đức Intensität, nghĩa là cường độ. Trong hệ SI, cường độ dòng điện có đơn vị ampe. Q (q1 q2 qn ) I t t Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian được định nghĩa bằng thương số giữa điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian đó và khoảng thời gian đang xét.
Q I tb t Trong đó, I tb là cường độ dòng điện trung bình, đơn vị là A (ampe) ΔQ là điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian Δt, đơn vị là C (coulomb) Δt là khoảng thời gian được xét, đơn vị là s (giây) Khi khoảng thời gian được xét vô cùng nhỏ, ta có cường độ dòng điện tức thời: dQ I dt 1.3 Mật độ dòng điện Một cách tổng quát, mật độ dòng chảy bất kỳ là cường độ dòng qua đơn vị diện tích mặt cắt vuông góc với dòng đó, với dòng có thể là dòng điện, dòng nước,. Đối với dòng điện, mật độ dòng được gọi là mật độ dòng điện. Cường độ dòng tổng quát liên hệ với mật độ dòng tổng quát trên một bề mặt bất kỳ qua công thức: 𝜙 = 𝑗. 𝐴 Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện Trang 7 Với: - là cường độ dòng.
Nếu dòng là dòng điện, nó đo bằng ampe A - diện tích mà dòng đi qua, đo bằng mét vuông j - là mật độ dòng. Nếu dòng là dòng điện, nó đo bằng A/m2 Mật độ dòng điện có ý nghĩa trong thiết kế mạch điện, trong điện tử học. Các thiết bị tiêu thụ điện thường bị nóng lên khi có dòng điện chạy qua, và chỉ hoạt động tốt dưới một mật độ dòng điện an toàn nào đấy; nếu không chúng sẽ bị nóng quá, chảy hoặc cháy. Ngay cả trong vật liệu siêu dẫn, nơi điện năng không bị chuyển hóa thành nhiệt năng, mật độ dòng điện lớn quá có thể tạo ra từ trường quá mạnh, phá hủy trạng thái siêu dẫn.
CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG Các phép biến đổi tương đương nhằm mục đích đưa mạch điện phức tạp về dạng đơn giản hơn. Khi biến đổi tương đương, dòng điện, điện áp tại các bộ phận không bị biến đổi mà vẫn giữ nguyên. Dưới đây là một số phép biến đổi tương đương thường gặp.1 Nguồ n áp mắ c nố i tiế p Các nguồ n sức điê ̣n đô ̣ng ek mắ c nố i tiế p tương đương với mô ̣t nguồ n có sức điê ̣n đô ̣ng: etd = ek đaisô Trong đó: nguồ n sức điê ̣n đô ̣ng ek nào cùng chiề u với dòng điê ̣n I thì mang dấ u (+), ngươc̣ chiề u với dòng điê ̣n i thì mang dấ u (-).2 Nguồ n dòng mắ c song song Các nguồ n dòng mắ c song song jk mắ c song song tương đương với mô ̣t nguồ n dòng: jtd = j k Đaisô Trong đó nguồ n jk nào cùng chiề u với dòng điê ̣n I thì mang dấ u (-). Ví du ̣: Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện Trang 8 Nguồ n dòng (j, Ro) có thể đươc̣ thay thế tương đương bằ ng mô ̣t nguồ n áp (e, Ro), với e = j.Ro và Ro nố i tiế p với nguồ n sđđ e.
Nguồ n áp (e, Ro) có thể đươc̣ thay thế tương đương bằ ng mô ̣t nguồ n dòng (j, Ro), với j = e/Ro và Ro song song với dòng j.3 Các điêṇ trở mắ c nố i tiế p, song song a. Các điê ̣n trở mắ c nố i tiế p Điê ̣n trở tương đương Rtd của các điê ̣n trở R1, R2, Rn mắ c nố i tiế p là: Rtd = R1 + R2 + …Rn R1 R2 Rn Rtd b. Các điê ̣n trở mắ c song song Điê ̣n trở tương đương Rtd của các điê ̣n trở R1, R2…Rn mắ c song song tính như sau: 1 1 1 1 = + +… + R tđ R1 R2 Rn Khi chỉ có 2 điê ̣n trở R1, R2 mắ c song song điê ̣n trở tương đương của chúng là: R1. R 2 R tđ = R1 + R 2 Ví du ̣: Tính dòng điê ̣n I trong ma ̣ch điê ̣n hình 1.
Lời giải: Trước hế t tính điê ̣n trở tương đương R23 của 2 điê ̣n trở R2 và R3 nố i song song.2 R23 = 1,8 R2 R3 18 2 Sau khi tính đươc̣ R23 ta có ma ̣ch thay thế đơn giản hơn (hình 1.8b) Các điê ̣n trở R1, R23, R4 mắ c nố i tiế p, điê ̣n trở tương đương Rab của ma ̣ch. Rab = R1 + R23 + R4 = 2,2 + 1,8 +6 = 10Ω Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện Trang 9 Dòng điê ̣n I là: E 110 I= 11A Rab 10 Hình 1.4 Biến đổi - Y và Y - a. Biến đổi sao thành tam giác Y - ∆ Giả thiết có 3 điện trở R1, R2, R3 nối hình sao. Biến đổi hình sao thành các điện trở đấu tam giác (hình 1.
Công thức tính các điện trở nối hình tam giác là: R 1R2 R 12 =R 1 +R 2 + R3 R 1R3 R 31 =R 1 +R 3 + R2 R 2R3 R 23 =R 2 +R 3 + R1 Khi hình sao đối xứng: Hình 1.9: Biến đổi Y-∆ R1 = R2 = R3 = R thì ta có: R12 = R23 = R31 = 3R b. Biến đổi tam giác thành sao ∆ - Y Giả thiết có 3 điện trở R12, R23, R31 nối hình tam giác. Biến đổi hình tam giác thành hình sao (hình 1.10), điện trở các cạnh hình sao tính là: R 12 R 31 R1= R 12 +R 23 +R 31 R 12 R 23 R2= R 12 +R 23 +R 31 R 31 R 23 R3= R 12 +R 23 +R 31 Hình 1.10: Biến đổi ∆ - Y R Khi hình tam giác đối xứng R12 = R23 = R31 = R, thì R1 = R2 = R3 = 3 Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện Trang 10 Ví dụ: Tính dòng điện I chạy qua nguồn của mạch cầu hình 1.11, biết R1 = 12Ω, R3 = R2 = 6Ω, R4 = 21Ω, Ro = 18Ω, E = 240Ω, Rn = 2Ω. Lời giải: Biến đổi tam giác ABC (R1, R2, Ro) thành sao RA, RB, RC (hình 1.6 R C= = = 3 R 1 +R 2 +R 0 12+6+18 Điện trở tương đương ROD của 2 nhánh song song: (R B +R 3 )(R C+R 4 ) (6+6)(3+21) Hình 1.
12 R OD = = =8 R B +R 3 +R C+R 4 6+6+3+21 Điện trở tương đương toàn mạch Rtd = Rn + RA + ROD = 2+2+8 = 12Ω Dòng điện chạy qua nguồn E 240 I= = = 20A R tđ 12 1.5 Biến đổi nguồn tương đương Nguồn dòng (j, Ro) có thể được thay thế tương đương bằng một nguồn áp (e, Ro), với e = j.Ro và Ro nối tiếp với nguồn sđđ e. Nguồn áp (e, Ro) có thể được thay thế tương đương bằng một nguồn dòng (j, Ro), với j = e/Ro và Ro song song với nguồn dòng j. Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện Trang 11 Ví dụ: một nguồn điện một chiều có sức điện động E = 100V, điện trở trong Rn = 1Ω cung cấp điện cho tải có R1 = 24Ω. Thiết lập mô hình mạch điện và tính dòng điện tải I1.
Lời giải: Mô hình mạch điện theo E vẽ trên hình 1.13 It Rn = 1Ω Rt 24Ω E 100V Hình 1.13 Dòng điện tải I1: E 100 I1 = 4A R n R1 1 24 Có thể giải bài toán theo mô hình nguồn dòng điện như sau: It 100A Rn = 1Ω Rt 24Ω Hình 1.14 Mô hình mạch điện theo nguồn dòng điện: E 100 J= 100 A Rn 1 vẽ trên hình 1.14 1 Dòng điện tải: It = 100. 4A (1 24) Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện Trang 12 TÓM TẮT NỘI DUNG CHƯƠNG 1 1. Mạch điện và mô hình 1. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện 1.
Các phép biến đổi tương đương CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CỦNG CỐ CHƯƠNG 1 1.1 Nguồ n điê ̣n là gì? Tải là gì? Hãy cho các ví du ̣ về nguồ n và tải? 1.2 Trình bày các khái niê ̣m cơ bản về ma ̣ch điê ̣n? 1.3 Đinh ̣ nghiã cường đô ̣ dòng điê ̣n, mâ ̣t đô ̣ dòng điê ̣n? 1.4 Cho E = 100V; R = 10Ω; I = 5A Tính điê ̣n áp U trong 2 sơ đồ hình 1.15 U AB UBA I I B B R R A A E E a) b) Hình 1. Tính dòng điê ̣n I trong 2 sơ đồ hình 1.6 Một tải có điện trở R = 19Ω đấu vào nguồn điện một chiều có E = 100V, điện trở trong Rtr = 1Ω. Tính dòng điện I, điện áp U và công suất P của tải.7 Cho một nguồn điện một chiều có sức điện động E = 50V; điện trở trong Rtr = 0,1Ω. Nguồn điện cung cấp điện cho tải có điện trở R.
Biết công suất tổn hao trong nguồn điện là 10W. Tính dòng điện I, điện áp U giữa 2 cực của nguồn điện, điện trở R và công suất P tải tiêu thụ. ĐS: I = 10A; U = 49V; R = 4,9Ω; P = 490W Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện Trang 13 1.8 Một nguồn điện có sức điện động E và điện trở trong Rtr = 0,5Ω, cung cấp điện cho tải có điện trở R. Biết điện áp của tải U = 95V; công suất tải tiêu thụ P = 950W.