Chương I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mục tiêu Sau khi đọc chương này, sinh viên có thể: - Có khả năng mô tả và nhận diện mạch điện và các phần tử cơ bản của mạch điện. - Có khả năng áp dụng định luật Kirchoff, biến đổi tương đương, để giải mạch điện. - Tính toán được công suất nguồn, công suất tiêu tán, cân bằng công suất của một mạch điện. TÓM TẮT LÝ THUYẾT VÀ VÍ DỤ 1.1 MẠCH ĐIỆN 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 ghép từ nhiều phần tử nhỏ riêng lẻ, mỗi phần tử có một chức năng nhất định. Mạch điện có hai loại phần tử chính, là nguồn và tải. - Nguồn là các phần tử dùng để cung cấp năng lượng điện hoặc tín hiệu điện cho mạch.
Ví dụ: máy phát điện, ăc quy, pin, cảm biến… - Tải là các phần tử nhận năng lượng điện hay tín hiệu điện và chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác. Ví dụ: động cơ điện, lò điện, bóng đèn điện… - Ngoài ra, trong mạch còn có một số phần tử khác, như phần tử dây nối dùng để nối nguồn và tải, phần tử biến đổi điện áp và dòng điện, phần tử làm khuếch đại tín hiệu trong mạch điện, v. Mạch điện có thể có cấu trúc rất đơn giản được biểu diễn thực tế như sơ đồ dưới đây: gồm các bóng đèn mắc song song, nguồn điện, ổ cắm, dây dẫn… được ghép nối tiếp hoặc song song tạo thành một mạch kín. 9 Sơ đồ một mạch điện đơn giản Kết cấu hình học của mạch điện Nhánh: là một đoạn gồm những phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy thông từ đầu nọ đến đầu kia.
Nút: là giao điểm gặp nhau của 3 nhánh trở lên. Vòng (mạch vòng, mắt lưới): là một lối đi khép kín qua các nhánh.1 Mạch điện có ba nhánh, hai nút A, B và ba vòng Ví dụ như trong Hình 1.1 ta thấy có tất cả 3 nhánh, nhánh 1 gồm phần tử điện trở R1 mắc nối tiếp nguồn E1, nhánh 2 gồm phần tử điện trở R2 nối tiếp nguồn E2 và nhánh 3 gồm phần tử điện trở R3. Trong mạch điện này có 2 nút là nút A và B và có 3 vòng, vòng 1 qua các nhánh (1,3,1), vòng 2 qua các nhánh (2,3,2) và vòng 3 qua các nhánh (1,2,1).2: Cho mạch điện như Hình 1. Hãy cho biết mạch điện trên có bao nhiêu nhánh, bao nhiêu nút và bao nhiêu vòng? R1 A R2 E1 R6 E2 R4 B R5 D C R3 Hình 1.2 Giải Mạch điện trên gồm có: Sáu nhánh: + Nhánh 1: gồm phần tử R1 mắc nối tiếp với nguồn E1 + Nhánh 2: gồm phần tử R2 mắc nối tiếp nguồn E2 + Nhánh 3: gồm phần tử R3 + Nhánh 4: gồm phần tử R4 + Nhánh 5: gồm phần tử R5 + Nhánh 6: gồm phần tử R6 Bốn nút (4 đỉnh): A, B, C, D Bảy vòng: + Vòng 1: qua các nhánh (1, 6, 4, 1) + Vòng 2: qua các nhánh (2, 5, 6, 2) + Vòng 3: qua các nhánh (1, 2, 3) + Vòng 4: qua các nhánh (1, 2, 4, 5) + Vòng 5: qua các nhánh (4, 5, 3) + Vòng 6: qua các nhánh (1, 6, 5, 3, 1) + Vòng 7: qua các nhánh (2, 6, 4, 3, 2) 11 1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG TRONG MẠCH ĐIỆN 1.1 Dòng điện Khái niệm Dòng điện là dòng các điện tích chuyển dời có hướng dưới tác dụng của điện trường.
Quy ước: Chiều dòng điện hướng từ cực dương về cực âm của nguồn hoặc từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp. Cường độ dòng điện I là đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện. Cường độ dòng điện được tính bằng lượng điện tích chạy qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong một đơn vị thời gian.1) dt Đơn vị của dòng điện là ampe (A). Bản chất dòng điện trong các môi trường Trong kim loại: Lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại có rất ít electron, chúng liên kết rất yếu với các hạt nhân và dễ bật ra thành các electron tự do.
Dưới tác dụng của điện trường các electron tự do này sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện. Trong dung dịch: Các chất hòa tan trong nước sẽ phân ly thành các ion dương tự do và các ion âm tự do. Dưới tác dụng của điện trường các ion tự do này sẽ chuyển động có hướng tạo nên dòng điện. Trong chất khí: Khi có tác nhân bên ngoài (bức xạ lửa, nhiệt…) tác động, các phần tử chất khí bị ion hóa tạo thành các ion tự do.
Dưới tác dụng của điện trường chúng sẽ chuyển động tạo thành dòng điện.2 Điện áp R i Điện áp là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của điện u trường. Trong mạch điện, tại các điểm đều có một điện thế nhất định.3 Điện áp và dòng điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp U. điện trên điện trở Ta có: UAB= φA – φB (1.2) 12 Trong đó: A: điện thế tại điểm A; B: điện thế tại điểm B; UAB: hiệu điện thế giữa A và B. Quy ước: Chiều điện áp là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp.
Đơn vị điện áp là vôn (V).3 Công suất Công suất P là đại lượng đặc trưng cho khả năng thu và phát năng lượng điện trường của đòng điện. Công suất được định nghĩa là tích số của dòng điện và điện áp: Công suất tức thời p = u.i (W) Trong đó p là công suất tức thời. Nếu dòng điện và điện áp cùng chiều thì dòng điện sinh công dương P > 0 (phần tử đó hấp thụ năng lượng). Nếu dòng điện và điện áp ngược chiều thì dòng điện sinh công âm P < 0 (phần tử đó phát năng lượng).
Công suất tác dụng còn gọi là công suất trung bình hay công suất tiêu thụ T 1 T 0 P p.dt Đơn vị công suất là watt (W). Đối với mạch điện xoay chiều, công thức tính công suất tác dụng như sau: P = UIcosφ (1.3) Trong đó: U: điện áp hiệu dụng; I: dòng điện hiệu dụng; cos: hệ số công suất, với = u - i (u là góc pha đầu của điện áp và i là góc pha đầu của dòng điện). Công suất tiêu thụ trên điện trở P = RI2 13 1.4 Năng lượng tích lũy trong cuộn dây Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây thì sẽ sinh ra từ thông Φ.4) Từ thông biến thiến qua cuộn dây sinh ra dòng điện cũng biến thiên theo thời gian, ta có: d di d L mà u (1.5) dt dt dt Công suất truyền đến cuộn cảm được xác định theo công thức: di p = ui = L i (1.6) dt Năng lượng tích trữ trong cuộn cảm: di t t t t 1 1 w L (t) pdt uidt L idt L idi Li 2 (t) Li 2 () (1.5 Năng lượng tích lũy trong tụ điện Điện áp giữa hai đầu tụ điện phụ thuộc bởi sự phân chia điện tích giữa hai bản tụ điện. Khi có dòng điện chạy qua tụ điện thì sẽ sinh ra một điện tích q.9) Những điện tích này có lực điện tác động chúng đó là điện trường, dq du dq ta có: C mà i (1.10) dt dt dt Công suất dự trữ trong một tụ điện cho bởi du t t wC (t ) uidt u C dt dt t 1 udu C u 2 (t ) t (1.12) 2 Từ kết quả này chúng ta thấy rằng WC(t) 0.12) tụ điện là phần tử thụ động của mạch.
Do đó điện tích trên tụ điện (1.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN 1.1 Điện trở Đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng, biến điện năng thành nhiệt năng. Ký hiệu: R; Đơn vị: (Ohm) R i uR Hình 1.4 uR = Ri Điện dẫn: g 1 g= ; Đơn vị: mho hoặc Siemen (S).2 Điện cảm Điện cảm là đại lượng đặc trưng cho khả năng tạo nên từ trường của phần tử mạch điện. Cuộn cảm hay cuộn dây là một phần tử thụ động trong mạch điện, được chế tạo nhằm lưu trữ năng lượng dưới dạng năng lượng từ trường. Cuộn dây được ứng dụng trong nhiều mạch điện khác nhau, từ mạch điện tử đến các hệ thống điện.
Cuộn dây có trong các mạch nguồn, máy biến áp, mạch thu vô tuyến, TV, radar và các động cơ điện. Ký hiệu: L; Đơn vị: Henry (H); mH=10-3H 15 L i uL Hình 1.5 Theo tính chất cuộn dây ta có: di uL L dt Trong đó: i là dòng điện đi qua cuộn dây, uL là điện áp đặt giữa hai đầu cuộn dây, di/dt chỉ sự biến thiên của dòng điện theo thời gian. Lưu ý: Trong mạch điện một chiều thì điện áp giữa hai đầu cuộn dây bằng 0. Khi đó cuộn dây được xem như bị nối tắt.3 Điện dung Đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường.
Tụ điện là phần tử thụ động, được thiết kế nhằm mục đích lưu trữ năng lượng dưới dạng năng lượng điện trường. Cũng như điện trở, tụ điện là loại linh kiện phổ biến thường gặp nhất trong các mạch điện. Tụ điện được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều loại mạch, từ mạch điện tử, mạch truyền thông, trong các loại máy tính cũng như trong hệ thống điện. Lấy ví dụ, tụ điện là một bộ phận quan trọng trong bộ thu sóng vô tuyến của radio, hoặc là đóng vai trò là phần tử nhớ động trong các hệ thống máy tính.
Ký hiệu: C; Đơn vị: Farad (F) i C uC Hình 1.6 1µF = 10-6F; 1nF = 10-9F; 1pF = 10-12F Khi cho dòng điện đi qua tụ điện thì sẽ sinh ra điện tích q; u: điện áp đặt giữa hai đầu bản cực của tụ điện, theo tính chất tụ 1 c điện ta có: uC idt Lưu ý: Trong mạch điện một chiều thì dòng điện qua hai đầu tụ điện bằng 0. Khi đó tụ điện được xem như bị hở mạch.1 Nguồn độc lập Ý nghĩa của từ “độc lập” là giá trị của nguồn không phụ thuộc bất kỳ vào phần tử nào trong mạch và được cho trước giá trị. Nguồn áp một chiều Ký hiệu: E E Hình 1.7 E: giá trị của nguồn. Chiều của điện áp từ + sang -.
Chiều của sức điện động ngược lại.