CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mã chương: MH09.01 Giới thiệu: Ở chương này ta sẽ làm quen với các khái niệm về mạch điện, và các phép biến đổi tương đương nhằm đưa mạch điện về dạng đơn giản. 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 thức tính toán cơ bản. Nội dung chính: - Mạch điện và mô hình. - Các khái niệm cơ bản trong mạch điện. - Các phép biến đổi tương đương.
Mạch điện và mô hình. 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 các hiện tượng điện từ xảy ra trong mạch điện. - Nhận biết được các thiết bị và sử dụng được dụng cụ đo trong mạch điện.
Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn.) được nối lại với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những mạch vòng kín, trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các thành phần sau: nguồn điện, phụ tải, dây dẫn. Nguồn điện: là thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác ( như cơ năng, quang năng, nhiệt năng.) thành điện năng.
Ví dụ: Pin, ăcquy biến đổi hoá năng thành điện năng. Máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng. Pin mặt trời biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng. Phụ tải (tải): là thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác ( như cơ năng, nhiệt năng, quang năng.) Ví dụ: Động cơ điện tiêu thụ điện năng và biến điện năng thành cơ năng.
7 Bàn là, bếp điện biến điện năng thành nhiệt năng. Bóng điện biến điện năng thành quang năng. Dây dẫn: có nhiệm vụ truyền tải điện năng (từ nguồn tới phụ tải tiêu thụ) và dùng để nối các thành phần của mạch điện. Ngoài 3 yếu tố chính trong mạch điện còn có các thiết bị phụ trợ khác để: Đóng cắt và điều khiển mạch điện như cầu dao, aptomat, côngtăc.
Đo lường các đại lượng của mạch điện như ampe kế, vôn kế, oát kế. Bảo vệ mạch điện như cầu chì, rơle, aptômát. Các hiện tượng điện từ. Các hiện tượng điện từ có rất nhiều dạng như:Tách sóng, tạo hàm, tạo sóng, biến áp, khuếch đại… Tuy nhiên nếu xét theo quan điểm năng lượng thì quá trình điện từ trong mạch điện có thể quy về hai hiện tượng năng lượng cơ bản là hiện tượng biến đổi năng lượng và hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ.
Hiện tượng biến đổi năng lượng. Hiện tượng biến đổi năng lượng gồm hai loại: Hiện tượng nguồn: là hiện tượng biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hoá năng… 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, hoá 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 mà năng lượng điện từ được tích phóng vào một vùng không gian có tồn tại trường điện từ hoặc đưa từ vùng đó trở lại bên ngoài. Để thuận tiện cho quá trình nghiên cứu, người ta coi sự tồn tại của một trường điện từ thống nhất gồm 2 mặt thể hiện là điện trường và từ trường. Vì vậy hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ gồm hiện tượng tích phóng năng lượng trong điện trường và hiện tượng tích phóng năng lượng trong từ trường. Dòng điện và trường điện từ có liên quan chặt chẽ với nhau nên trong bất kì thiết bị nào cũng đều xảy ra cả 2 hiện tượng: biến đổi và tích phóng năng lượng.
Nhưng có thể trong một thiết bị thì hiện tượng năng lượng này xảy ra mạch hơn hiện tượng năng lượng kia. Ví dụ: ta xét các phần tử là điện trở thực, tụ điện, cuộn dây, ắcquy. Trong điện trở thực: chủ yếu xảy ra 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 8 điện trở) so với dòng điện dẫn và bỏ qua sức điện động cảm ứng so với sụt áp trên điện trở, nói cách khác bỏ qua hiện tượng tích phóng năng lượng tích phóng năng lượng điện từ.
Trong tụ điện chủ yếu là: hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường. Ngoài ra do điện môi giữa 2 cốt tụ có độ dẫn điện hữu hạn nào đó nên trong tụ cũng xảy ra hiện tượng tiêu tán biến đổi điện năng thành nhiệt năng. Trong cuộn dây chủ yếu là: hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường. Ngoài ra dòng điện 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 còn xảy ra hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường nhưng thương rất yếu và có thể bỏ qua nếu tần số làm việc không lớn lắm. Trong ăcquy là: xảy ra hiện tượng nguồn biến đổi từ hoá năng sang điện năng, đồng thời cũng xảy ra hiện tượng tiêu tán biến đổi từ điện năng thành nhiệt năng. Mô hình mạch điện Mạch điện gồm nhiều phần tử, khi làm việc nhiều hiện tượng điện từ xảy ra trong các phần tử. Khi tính toán người ta thay thế mạch điện thực bằng mô hình mạch điện.
Mô hình mạch điện là sơ đồ thay thế mạch điện thực, trong đó quá trình năng lượng điện từ và kết cấu hình học giống như mạch thực. Mô hình mạch điện gồm nhiều phần tử lý tưởng đặc trưng cho quá trình điện từ trong mạch và được ghép nối với nhau tuỳ theo kết cấu của mạch Sau đây ta sẽ xét các phần tử lý tưởng của mô hình mạch điện. Phần tử điện trở. Đặc trưng cho vật dẫn về mặt cản trở dòng điện.
Về năng lượng, điện trở R đặc trưng cho quá trình biến đổi và tiêu thụ điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, quang năng, nhiệt năng. Kí hiệu điện trở. Đơn vị của điện trở là (ôm), 1 k = 103 . Cho dòng điện i chạy qua điện trở R gây ra sụt áp trên điện trở là u R.
Theo định luật Ôm quan hệ giữa dòng điện i và điện áp uR là: uR = i.R Công suất tiêu thụ trên điện trở p = uR.R 9 Như vậy điện trở R đặc trưng cho công suất tiêu tán trên điện trở. Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t là t t A = pt i 2 Rt khi i = const có A = i2Rt 0 0 Đơn vị của điện năng là Wh (oát giờ), bội số của nó là kWh. Điện dẫn G: Đặc trưng cho cho vật dẫn về mặt dẫn điện, là đại lượng nghịch đảo của điện trở. Phần tử điện cảm Điện cảm L đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường của cuộn dây.
Kí hiệu điện cảm. Đơn vị của điện cảm là H (Henry). 1 mH = 10-3 H, 1 H = 10-6 H, 1 MH = 106 H Khi có dòng điện i chạy qua cuộn dây có w vòng dây, sẽ sinh ra từ thông móc vòng qua cuộn dây = w. w Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa là L = i i Nếu 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 dt dt di Điện áp trên cuộn dây: uL = - eL = L dt di Công suất trên cuộn dây: pL = uL. L dt t t 1 Năng lượng từ trường tích luỹ trong cuộn dây: W = p L dt Lidt Li 2 o 0 2 1.
Phần tử điện dung. Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích luỹ năng lượng điện trường trong tụ điện. Kí hiệu điện dung. Đơn vị của điện dung là Fara (F).
Khi đặt điện áp uC lên tụ điện có điện dung C thì tụ điện sẽ được nạp điện với điện tích q: q = C.uC Nếu điện áp uC biến thiên sẽ có dòng điện chuyển dịch qua tụ điện t dq d du 1 C 0 i= (Cu C ) C C từ đó suy ra uC = idt dt dt dt Nếu tại thời điểm t = 0 mà tụ điện đã có điện tích ban đầu thì điện áp trên t 1 C 0 tụ điện là: uC = idt uC (0) du c Công suất trên tụ điện: Pc u c i Cu c dt Năng lượng tích luỹ trong điện trường của tụ điện. t u 1 2 WE pc dt Cu c du c Cu 0 0 2 1. Phần tử nguồn. Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo lên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn.
Kí hiệu nguồn điện áp. Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng sức điện động e(t). Điện áp đầu cực u(t) sẽ ngược dấu với sức điện động :u(t) = - e(t). Chiều e(t) từ điểm điện thế thấp đến điểm điện thế cao.
Chiều u(t) từ điểm điện thế cao đến điểm điện thế thấp, vì thế chiều điện áp đầu cực nguồn ngược với chiều sức điện động. b) Nguồn dòng điện j (t). Để tạo ra điện áp đặt vào mạch điện, người ta dùng các nguồn điện. Ví dụ: pin, acquy cung cấp các điện áp không đổi (theo thời gian), các máy phát điện xoay chiều cung cấp điện áp hình sin có tần số f = 50 Hz dùng trong công nghiệp và sinh hoạt.
11 Nguồn dòng điện đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo lên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài. Kí hiệu: bằng một vòng tròn với mũi tên kép. Kí hiệu nguồn dòng điện. Phần tử thật Một phần tử thực của mạch điện có thể được mô hình gần đúng với một hay tập hợp nhiều phần tử lý tưởng được ghép nối với nhau để mô tả gần đúng hoạt động của phần tử thực tế.
Ví dụ: CR CL RC R LR L RL C LC Hình a) Hình b) Hình c) Hình 1. Kí hiệu phần tử thực của điện trở, cuộn dây và tụ điện.