Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mục tiêu: Học xong chương này, sinh viên có khả năng: - 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 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. Mạch điện và mô hình mạch điện 1.1 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), thiết bị phụ trợ. Thiết bị Nguồn điện phụ trợ Phụ tải Hình 1.1: Mô hình mạch điện a) Nguồn điện - Nơi sản sinh ra năng lượng điện để cung cấp cho mạch. - Nguồn điện có thể là nguồn một chiều hoặc xoay chiều. + Nguồn một chiều: Pin, acquy, máy phát điện một chiều,.
+ Nguồn xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều,… 1 Các nguồn điện công suất lớn thường được truyền tải từ các nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử. Các nguồn điện một chiều thường được đặc trưng bằng suất điện động E, điện trở nội r. Với nguồn xoay chiều thường biểu diễn bằng công suất P (công suất máy phát) và hiệu điện thế lối ra u.2: Một số loại nguồn điện b) Phụ tải Là các thiết bị sử dụng điện năng để chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác, như dùng để thắp sáng (quang năng), chạy các động cơ điện (cơ năng), dùng để chạy các lò điện (nhiệt năng). Các thiết bị tiêu thụ điện thường được gọi là phụ tải (hoặc tải) và ký hiệu bằng điện trở R hoặc bằng trở kháng Z.3: Một số loại phụ tải thông dụng c) Dây dẫn 2 Có nhiệm vụ liên kết và truyền dẫn dòng điện từ nguồn điện đến nơi tiêu thụ.
Thường làm bằng kim loại đồng hoặc nhôm và một số vật liệu dẫn điện có điện dẫn suất cao khác. d) Các thiết bị phụ trợ: Như các thiết bị đóng cắt (cầu dao, công tắc.), các máy đo (ampekế, vôn kế, óat kế …), các thiết bị bảo vệ (cầu chì, aptômát. Các hiện tượng điện từ 1. Hiện tượng biến đổi năng lượng a.
Hiện tượng biến đổi điện năng thành nhiệt năng Dòng điện tích chuyển động có hướng trong vật dẫn làm va chạm với các phần tử vật dẫn, truyền bớt năng lượng cho các phần tử, làm tăng mức chuyển động nhiệt trong vật dẫn. Như vậy dòng điện qua vật dẫn sẽ làm nóng vật dẫn, tức điện năng đã chuyển hoá thành nhiệt. Gọi điện trở của vật dẫn là r, công của dòng điện là: A = I 2.t, biết đương lượng nhiệt của mỗi công là 0,24 calo với mỗi Jun, nên nhiệt lượng do công chuyển hoá là: Q = 0,24A = 0,24.1) Định luật này do hai nhà Bác học là Jun (người Anh) và Lenxơ (người Nga) tìm ra bằng thực nghiệm nên người ta gọi là định luật Jun - Lenxơ. Phát biểu định luật: Nhiệt lượng do dòng điện toả ra trên một điện trở tỷ lệ với bình phương dòng điện, với trị số điện trở và thời gian dòng điện chạy qua.
U2 Nếu thay I = ta có: r U2 Q 0, 24. Hiện tượng biến đổi điện năng thành cơ năng Giả sử có dây dẫn đặt trong từ trường đều, cường độ từ cảm là B. Nối dây dẫn với một nguồn s.đ ngoài là EF, điện trở nguồn là rF, trong dây dẫn có dòng điện là E U I: I ở đây U là điện áp đặt vào dây dẫn (điện áp giữa hai điểmA và B). Lực r điện từ tác dụng lên dây dẫn là: F = B.I N F - B I + B rF I A EF S Hình 1.4: Sự xuất hiện sức phản điện Chiều của F xác định theo qui tắc bàn tay trái.
Giả sử dưới tác dụng của lực F, dây dẫn chuyển động với tốc độ v theo chiều của lực từ. Phương này cắt vuông góc với đường sức, nên trong dây dẫn sẽ xuất hiện s.đ cảm ứng có trị số là: E = B.đ E xác định theo qui tắc bàn tay phải. Ta thấy E có chiều ngược với dòng điện (và do đó ngược chiều so với s.đ EF của nguồn) gọi là s. Gọi điện trở của dây dẫn là ro, áp dụng định luật kiêc khốp cho mạch vòng ta có: U – E = I.ro, hay U = E + Iro (1.3) Nhân cả hai vế của biểu thức (1.3) với dòng điện I ta có: 4 UI = EI + I2ro = Blv.v + I2ro Hay Pđiện = Pcơ + Po (1.I là công suất điện của nguồn cấp cho động cơ, P cơ = F.v là công suất của động cơ ; Po = I2ro là tổn thất trên điện trở trong của động cơ.
Như vậy : dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều đã nhận một công suất điện của nguồn biến thành công suất cơ. Đó là cơ sở nguyên lí làm việc của động cơ điện. Hiện tượng tích phóng năng lượng a. Qúa trình nạp điện Đóng mạch điện gồm điện dung C chưa tích điện mắc nối tiếp với điện trở r vào nguồn điện áp một chiều.
Tụ điện bắt đầu nạp điện, điện tích ở hai cực tăng từ giá trị không trở lên. Giả sử trong thời gian vô cùng nhỏ dt, điện tích tăng được một lượng là dq, thì dòng điện qua mạch có trị số là: dq i (1.5) dt q Điện tích nạp vào tụ, nên ở hai bản cực của tụ có trị số điện áp là UC = .6) Thay vào biểu thức dòng điện ta có: dU C iC (1.7) dt Nghĩa là: dòng điện nạp của tụ tỉ lệ với tốc độ biến thiên điện áp trên tụ. Áp dụng định luật kiêc khốp cho mạch vòng kín ta có: U = i.8) Biến đổi biểu thức này và thay vào biểu thức tính dòng điện ta có: 5 dU C dU U – UC = rC .9) dt dt Ở đây: = r.C gọi là hằng số thời gian của mạch, có thứ nguyên là s. Phương trình (1.9) là phương trình vi phân có ẩn là U C.
Tại thời điểm đầu t = 0, UC = 0, (U - UC) = U, nên tốc độ tăng điện áp UC là lớn nhất. Dòng điện nạp có trị số lớn nhất. Khi UC đã tăng lên hiệu U - UC giảm nên tốc độ tăng điện áp UC giảm dần. Như vậy: Trong quá trình tụ điện nạp điện, dòng điện nạp giảm dần từ cực đại về không, còn điện áp tăng từ không tới giá trị ổn định là U.5: Đóng tụ điện vào điện áp một chiều Biểu thức điện áp có dạng: t U C U (1 e ) (1.10) Điện áp trên điện trở: U = i.11) Dòng điện trong mạch: U r U t i .
Quá trình phóng điện Tụ điện nạp đầy, điện áp trên tụ là U. Khép kín mạch qua điện trở r, điện tích trên các cức sẽ phóng qua mạch, tạo thành dòng điện phóng i.6: Quá trình phóng điện Giả sử tong thời gian dt, điện tích trên cực tụ giảm một lượng dq, dòng điện phóng sẽ là: dq i (1.13) dt Dấu âm ở đây biểu thị cho điện tích giảm trong quá trình phóng.U C là điện áp trên hai cực ở thời điểm xét.14) dt Như vậy : dòng diện phóng điện của tụ điện tỉ lệ với tốc độ biến thiên của điện áp trên tụ, nhưng trái dấu. So sánh với (1.7) ta thấy dòng điện phóng ngược chiều với dòng điện nạp. Biết điện áp trên tụ điện cũng là điện áp giáng trên điện trở : UC = i.14) ta có: dUC dU C (1.15) U C -rC dt dt 7 Dấu âm thể hiện là điện áp uC giảm dần trong quá trình phóng điện.
Như vậy, tốc độ giảm điện áp trên tụ tỷ lệ với điện áp trên tụ. Tại thời điểm đầu khi mới phóng điện, điện áp UC có giá trị lớn nhất UC = U, nên điện áp giảm nhanh nhất, dòng điện phóng có trị số lớn nhất. Khi điện áp U C giảm dần, tốc độ giảm sẽ chậm lại, trị số dòng điện phóng cũng giảm theo. Khi tụ điện phóng điện, điện áp trên tụ cũng như dòng điện phóng cũng giảm dần từ trị số lớn nhất về trị số không.
Mô hình mạch điện - Khi tính toán người ta thường thay mạch thực bằng mô hình mạch điện. - Yêu cầu về mô hình mạch điện : mô hình mạch điện phải đảm bảo kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như mạch điện thực. - Một mạch thực có thể có nhiều mô hình mạch điện, điều đó là tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu và điều kiện làm việc của mạch điện. - Các phần chính của mô hình mạch điện: + Nguồn điện áp u(t) ; + Nguồn dòng j(t) ; + Điện trở R ; + Điện cảm L ; + Điện dung C.
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 = Ri2 ; 8 Trong heä ñôn vò SI ñôn vò ñieän trôû laø oâm (Ω).7: Phần tử điện trở R 1 - Ngoài ra còn dung khái niệm điện dẫn g . Đơn vị của điện dẫn là S R (Simen). - Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t là: t t A pdt Ri 2 dt Ri 2 t (1.16) 0 0 - Đơn vị của điện năng là Wh (oát giờ), hay bội số là kWh.
Phần tử điện cảm - Khi có dòng điện i chạy qua cuộn dây có w vòng sẽ sinh ra từ thông móc vòng qua cuộn dây: w - Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa w L (1.18) i i - Đơn vị của điện cảm là H (Henri). - Nếu có 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: d di eL L (1.19) dt dt Điện áp rơi trên cuộn dây: di u L e L L (1.20) dt 9 Công suất trên cuộn dây : di p L u L i Li (1.21) dt Năng lượng tích lũy trong cuộn dây : t i Li 2 WM PL dt Lidi (1.