Chương I: Các khái niệm cơ bản của mạch điện d e f g Từ hình (g) ta dễ dàng suy ra: 9 Chương II: Mạch điện một chiều CHƯƠNG II: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Những khái niệm cơ bản về mạch điện một chiều 1. Dòng điện Doøng ñieän moät chieàu laø doøng ñieän coù chieàu khoâng thay ñoåi theo thôøi gian. Maïch ñieän coù doøng ñieän moät chieàu goïi laø maïch ñieän moät chieàu.
Doøng ñieän coù trò soá vaø chieàu khoâng thay ñoåi theo thôøi gian goïi laø doøng ñieän khoâng ñoåi. Dòng điện i có trị số bằng tốc độ biến thiên của điện lượng Q qua tiết diện ngang của vật dẫn dQ e i dt i Đơn vị của dòng điện là Ampe (A). Người ta qui ước chiều của dòng điện chạy trong vật dẫn ngược chiều với chiều chuyển động của điện tử. Điện áp Tại mỗi điểm trong mạch điện có một điện thế .
Hiệu điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp U, đơn vị là Vôn (V). A R B UAB= A B Chiều của điện áp qui ước là chiều có điện thế cao đến chiều có điện thế thấp. Điện áp giữa hai cực của nguồn điện khi hở mạch ngoài (dòng điện I=0) được gọi là sức điện động E. 10 Chương II: Mạch điện một chiều 1.
Công suất Công suất của nguồn sức điện động là: P=EI Công suất của mạch ngoài là: P=UI Đơn vị của công suất là Oát (W). Định luật Ohm Định luật Ohm nói lên mối liên hệ giữa dòng điện qua một đoạn mạch và điện áp giữa hai đầu đoạn mạch đó. I R U Giả sử điện áp đặt vào hai đầu đoạn mạch (vật dẫn) dài l là U, nó sẽ tạo ra điện trường đều có cường độ là: U l Dưới tác dụng của điện trường, các phần tử dẫn điện sẽ di chuyển tạo thành dòng điện. Điện trường càng mạnh thì mật độ dòng điện càng lớn, tức cường độ dòng điện tỷ lệ với cường độ điện trường.
I S ở đây, được gọi là điện dẫn suất, phụ thuộc vào bản chất dẫn điện của vật liệu. Điện dẫn suất càng lớn, vật liệu dẫn điện càng tốt. Thay giá trị vào ta được: I U S l 11 Chương II: Mạch điện một chiều S I U gU l g: được gọi là điện dẫn của đoạn mạch Từ biểu thức trên ta thấy: Dòng điện qua một đoạn dây dẫn tỷ lệ với điện áp giữa hai đầu đoạn mạch và với điện dẫn của đoạn mạch đó. Đó là định luật Ohm cho một đoạn mạch.
Nghịch đảo của điện dẫn gọi là điện trở, ký hiệu R 1 1 l l R g S S : là điện trở suất của vật liệu. Từ đó ta có dạng khác của định luật Ohm: U I R Phát biểu như sau: Dòng điện qua một đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp giữa hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch đó. Định luật Joule-Lenz 2. Định luật Joule_Lenz dạng thường Ta biết rằng vật dẫn nóng lên khi có dòng điện chạy qua nó.
Joule và Lenz đồng thời, bằng thực nghiệm đã tìm ra công thức xác định nhiệt lượng Q tỏa ra trên vật dẫn R khi có dòng điện I chạy qua nó trong thời gian t. Q=RI2t Phát biểu: Nhiệt lượng Q tỏa ra trên một đoạn dây dẫn khi có một dòng điện I không đổi chạy qua tỉ lệ với điện trở R, với bình phương cường độ dòng điện và với thời gian t dòng điện đi qua dây dẫn. Đối với dòng điện biến đổi theo thời gian i(t), ta có thể tính nhiệt lượng tỏa raa trên đoạn mạch có điện trở R sau thời gian t bằng công thức: t Q Ri 2 dt 0 Sự tỏa nhiệt trong các vật dẫn điện có dòng điện chạy qua (gọi là hiệu ứng Joule-Lenz) giữ một vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện. Tất cả các dụng dùng 12 Chương II: Mạch điện một chiều để đốt nóng bằng điện đều dựa vào hiệu ứng Joule_Lenz.
Tuy nhiên, hiệu ứng này cũng có mặt tác hại: Đó là sự tỏa nhiệt làm hao phí vô ích trong nguồn điện, trong các dây dẫn truyền tải điện năng từ nới cung cấp đến nơi tiêu thụ. Định luật Joule_Lenz dạng vi phân Cũng như với định luật Ohm, ta có thể biểu diễn định luật Joule_Lenz dưới dạng vi phân để tính nhiệt lượng tỏa ra trong vật dẫn bất kỳ. Trong trường hợp này, ta cần biết mật độ công suất nhiệt, đó là đại lượng có giá trị bằng công suất nhiệt tiêu thụ trong một đơn vị thể tích và trong một đơn vị thời gian, được ký hiệy w. dl dQ RI 2 dt ( jdS )2 dt .dt dS Theo định nghĩa, mật độ công suất nhiệt được xác định bằng: dQ dV .dt Đây là biểu thức dạng vi phân của định luật Joule-Lenz 2.
Định luật Faraday Hiện tượng cảm ứng điện từ do Faraday phát hiện năm 1931, nội dung định luật phát biểu: Khi từ thôngxuyên qua vòng dây biến thiên, trong vòng dây sẽ xuất hiện sức điện động, sức điện động (sđđ) có chiều sao cho từ thông sinh ra nó có xu hướng chống lại sự biến thiên của từ thông. Nếu chọn chiều dương của sđđ cảm ứng phù hợp với chiều của từ thông theo quy tắc vặn nút chai sđđ cảm ứng trong một vòng dây được viết theo Macxoen như sau: d e dt Dấu chỉ chiều từ thông đi từ ngoài vào trang giấy. Nếu cuôn dây có W vòng dây thì: 13 Chương II: Mạch điện một chiều d d e W dt dt Trong đó: W gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây Từ thông có đơn vị là vebe (Wb), sđđ cảm ứng là Vôn (V). Định luật Kirchhoff 1 (K1) Gọi laø ñònh luaät Kirchhoff veà doøng ñieän: Toång ñaïi soá caùc doøng ñieän taïi moät nuùt baát kyø baèng khoâng.
n i 0 k 1 k Trong ñoù coù theå qui öôùc: caùc doøng ñieän coù chieàu ñi vaøo nuùt mang daáu “+”, coøn ñi ra khoûi nuùt mang daáu “-”. Ta cuõng coù theå qui öôùc ngöôïc laïi: ñi vaøo nuùt mang daáu “-”, coøn ñi ra khoûi nuùt mang daáu “+”. Ví duï: Cho moät nuùt maïch nhö hình, ta coù: i1 + i2 + i3 – i4 – i5 = 0 i1 + i2 + i3 = i4 + i5 Nghóa laø toång caùc doøng ñieän ñi vaøo nuùt (ñænh) baèng toång caùc doøng ñieän ra khoûi nuùt. Ñònh luaät K1 noùi leân tính chaát lieân tuïc cuûa doøng ñieän.
Định luật Kirchhoff 2 (K2) Goïi laø ñònh luaät Kirchhoff veà ñieän aùp: Toång ñaïi soá caùc ñieän aùp treân caùc phaàn töû doïc theo taát caû caùc nhaùnh trong moät voøng baèng khoâng. n u 0 k 1 k Daáu cuûa ñieän aùp ñöôïc xaùc ñònh döïa treân chieàu döông cuûa ñieän aùp ñaõ 14 Chương II: Mạch điện một chiều choïn so vôùi chieàu cuûa voøng. Chieàu cuûa voøng ñöôïc choïn tuyø yù (cuøng chieàu hoaëc ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà). Trong moãi voøng neáu chieàu voøng ñi töø cöïc “+” sang cöïc “-” cuûa ñieän aùp, thì ñieän aùp mang daáu “+”, coøn ngöôïc laïi mang daáu “-”.
Ví dụ: Viết phương trình K2 cho mạch sau: Theo voøng C1: -E1 + uR1 + uR2 + uR3 + uR4 = 0 Theo voøng C2: -E2 + uR5 + uR3 = 0 uR1 + uR2 + uR3 + uR4 = E1 uR5 + uR3 = E2 3. Các phương pháp giải mạch điện một chiều 3. Phương pháp biến đổi điện trở - Điện trở ghép nối tiếp - Điện trở ghép song song 15 Chương II: Mạch điện một chiều 3. Phương pháp xếp chồng Đây là tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính.
Trong mạch điện tuyến tính nhi6èu nguồn, dòng điện qua mỗi nhánh bằng tổng đại số các dòng điện qua nhánh do tác dụng riêng rẽ của từng sức điện động (lúc đó các sức điện động khác coi bằng 0). Nguyên lý xếp chồng được ứng dụng nhiều để nghiên cứu mạch điện có nhiều nguồn tác động. Tính bằng phương pháp xếp chồng thực hiện theo các bước sau: Bước 1: Thiết lập sơ đồ điện chỉ có một nguồn tác động. Bước 2: Tính dòng điện và điện áp trong mạch chỉ có một nguồn tác động.
Bước 3: Thiết lập mạch điện cho nguồn tiếp theo và lập lại các bước 1 và 2 cho mỗi nguồn tác động riêng rẽ. Bước 4: Xếp chồng (công đại số) các kết quả tính dòng điện, điện áp của mỗi nhánh do nguồn tác động riêng rẽ. Ví dụ: Hãy tính dòng điện I2 của mạch điện sau, biết rằng E1=E2=40V: 16 Chương II: Mạch điện một chiều I1 I2 I3 R1 R2 R3 2 4 4 E1 E2 Bài giải: Bước 1: Từ sơ đồ mạch điện đã cho ta biến đổi thành hai sơ đồ chỉ có một nguồn tác động như sau: I1 I2 I3 I1 I2 I3 R1 R2 R3 R1 R2 R3 2 4 4 2 4 4 E1 E2 Bước 2: Tính I1, I2, I3 cho mạch chỉ có E1 tác động. Áp dụng phương pháp điện trở và định luật Ohm.
I1 10 A, I2 5 A Bước 3: Tính I1, I2, I3 cho mạch chỉ có E2 tác động. Áp dụng phương pháp điện trở và định luật Ohm. I 3 3 A, I 2 1A Bước 4: Xếp chồng kết quả: I2 5 1 6 A 3. Phương pháp ứng dụng định luật Kirchhoff 17 Chương II: Mạch điện một chiều 3.
Các khái niệm Nhaùnh: laø moät boä phaän cuûa maïch ñieän goàm caùc phaàn töû maéc noái tieáp trong ñoù coù cuøng doøng ñieän chaïy qua. Voøng: Voøng laø loái ñi keùp kín qua caùc nhaùnh Maét löôùi: laø voøng maø khoâng chöùa voøng naøo khaùc beân trong noù. Phương pháp dòng điện nhánh Ẩn số của hệ phương trình là dòng điện các nhánh. Phương pháp này ứng dụng trực tiếp 2 định luật Kirchhoff 1 và 2, thực hiện theo các bước sau: Bước 1: Xác định số nút n, số nhánh m.
Số ẩn của hệ phương trình bằng số nhánh m. Bước 2: Tùy ý chọn chiều dòng điện mỗi nhánh. Bước 3: Viết phương trình K1 cho (n-1) nút đã chọn. Bước 4: Viết phương trình K2 cho (m-(n+1))=(m-n+1) mạch vòng độc lập đã chọn.
Bước 5: Giải hệ m phương trình đã thiết lập, ta có dòng điện các nhánh. Phương pháp dòng điện mạch vòng Ẩn số trong hệ phương trình là dòng điện mạch vòng (ẩn số trung gian). Bước 1: Xác định (m-n+1) mạch vòng độc lập và tùy ý chọn chiều dòng điện mạch vòng IV, thông thường nên chọn chiều các dòng điện mạch vòng 18 Chương II: Mạch điện một chiều giống nhau, thuận tiện cho việc lập hệ phương trình. Bước 2: Viết phương trình K2 cho các mạch vòng theo các dòng điện mạch vòng đã chọn.