CHƯƠNG 1 MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã chương: MH11-01 Giới thiệu Khái niệm, định nghĩa về dòng điện, mạch điện, nguồn điện là những khái niệm, định nghĩa cơ bản nhất trong ngành điện.Khi tìm hiểu và giải các mạch điện, chúng ta không thể bỏ qua các định luật cơ bản về mạch điện. Từ đó áp dụng các định luật cơ bản này để giải các mạch điện từ đơn giản đến phức tạp bằng các phương pháp thích hợp khác nhau, tùy theo đặc điểm của từng mạch cụ thể. Chương đầu tiên này sẽ cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về những điều đã đề cập ở trên. Mục tiêu - Trình bày được các khái niệm về dòng điện, mạch điện, nguồn điện và các phương pháp giải mạch điện một chiều.
- Giải được các mạch điện một chiều phức tạp. - Tuân thủ các bước giải mạch điện. - Tỉ mỉ, chính xác, có tư duy logic, trách nhiệm trong công việc. Nội dung chính 1.
Khái niệm về dòng điện 1.1 Khái niệm về dòng điện Dòng điện 1 chiều là dòng điện có chiều và trị số không đổi theo thời gian.2 Tác dụng của dòng điện Điện năng có ưu điểm nổi bật là cú thể sản xuất tập trung với nguồn cụng suất lớn, cú thể truyền tải đi xa và phân phối đến nơi tiêu thụ với tổn hao tương đối nhỏ. Điện năng dễ dàng biến đổi thành cỏc dạng năng lượng khỏc. Mặt khỏc quỏ trỡnh biến đổi năng lượng và tớn hiệu điện từ dễ dàng tự động hóa và điều khiển từ xa, cho phộp giải phúng lao động chõn tay và cả lao động trớ úc của con người. Kỹ thuật điện là ngành kỹ thuật ứng dụng cỏc hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tớn hiệu.
bao gồm việc tạo ra, biến đổi và sử dụng điện năng, tín hiệu điện từ trong cỏc hoạt động thực tế của con người.3 Cường độ và mật độ dòng điện 1.1 Cường độ dòng điện Đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện gọi là cường độ dòng điện ( gọi tắt là dòng điện ), kí hiệu: I. Cường độ dòng điện là lượng điện tích qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong một đơn vị thời gian. q I t Trong đó: q: điện tích (C) t: thời gian (s) I: cường độ dòng điện (A) Ampe là cường độ của dòng điện cứ một giây thì có một culông chuyển qua tiết điện thẳng của dây dẫn. 1kA=103A, 1mA=10-3A, 1A=10-6A Nếu điện tích di chuyển qua dây dẫn không đều theo thời gian sẽ tạo ra dòng điện có cường độ thay đổi (ký hiệu là i).
Giả sử trong thời gian rất nhỏ dt, có lượng dq điện tích dq qua tiết điện dây thì cường độ dòng điện i . dt Khi điện tích di chuyển theo một hướng nhất định với tốc độ không đối sẽ tạo thành dòng điện một chiều (hay dòng điện không đổi). Vậy dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và trị số không đổi theo thời gian. Đồ thị của nó là một đường thẳng song song với trục thời gian.
Nếu dòng điện có trị số hoặc chiều biến đổi theo thời gian được gọi là dòng điện biến đổi. Dòng điện biến đổi có thể là dòng điện không chu kỳ hoặc dòng điện có chu kỳ. Ví dụ: dòng điện tắt dần đó là dòng điện không chu kỳ. Dòng điện có chu kỳ là dòng điện biến đổi tuần hoàn nghĩa là cứ sau một khoảng thời gian nhất định nó lặp lại trị số và dạng biến thiên như cũ.
Trong các dòng điện có chu kỳ thì quan trọng nhất là dòng điện xoay chiều hình sin.2 Mật độ dòng điện 7 Khi cường độ dòng điện qua một đơn vị diện tích được gọi là mật độ dòng điện, kí hiệu là (denta). I S Trong đó: I: cường độ dòng điện (A) S: diện tích tiết điện dây (m2) : mật độ dòng điện (A/m2 ), (A/cm2 ), (A/mm2 ) Cường độ dòng điện dọc theo một đoạn dây dẫn là như nhau ở mọi tiết diện nên ở chỗ nào tiết diện dây nhỏ, mật độ dòng điện sẽ là lớn và ngược lại. Ví dụ 1: Dây dẫn có tiết diện 95mm2 dòng điện I= 200A qua. Tính mật độ dòng điện.
I 200 Giải: Mật độ dòng điện là: 2,05 (A/mm2 ) S 95 1.1 Khái niệm về mạch điện Mạch điện là tổ hợp các thiết bị điện bao gồm nguồn điện phụ tải được nối với nhau bằng dây dẫn theo một cách thức nhất định thông qua các thiết bị phụ trợ. Mạch điện là môn học cơ sở kỹ thuật quan trọng trong quá trình đào tạo công nhân lành nghề, kỹ sư các ngành kỹ thuật như điện công nghiệp, tự động hóa. Nó nhằm mục đích trang bị một cơ sở lý luận có hiệu lực cho các ngành kỹ thuật điện mà còn có thể vận dụng cho nhiều ngành kỹ thuật khác. Nguồn 1 chiều: Pin, ác quy, máy phát điện 1 chiều… Nguồn điện xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều.
Các nguồn điện công suất lớn thường được truyền tải từ các nhà máy (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử…) 8 Các nguồn điện 1 chiều thường được đặc trưng bằng suất điện động E, điện trở trong r. Với nguồn xoay chiều thường biểu diễn bằng công suất P (công suất máy phát) và hiệu điện thế lối ra U. 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 Z. Dây dẫn: Có nhiệm vụ liên kết và truyền dẫn dòng điện từ nguồn đến nơi tiêu thụ.
Các thiết bị phụ trợ: Như thiết bị đóng cắt (cầu dao, công tắc…), các máy đo (ampe kế, ôm kế…), các thiết bị bảo vệ (cầu chì, attomat…) 1.2 Mô hình mạch điện 1.1 Mô hình toán học của quá trình. Muốn sử dụng, khống chế, cải tạo vật thể vật lý kỹ thuật về một loại quá trình nào đó ví dụ quá trình điện từ, nhiệt, cơ. một điều kiện cơ bản là phải nhận thức được tốt về loại quá trình đó. Mô hình toán học là cách mô tả một loại quá trình bằng các môn toán học.
Có thể xây dựng mô hình toán học theo cách: định nghĩa các biến trạng thái do quá trình, tìm ra một nhóm đủ hiện tượng cơ bản, mô tả bằng toán học cơ chế các hiện tượng đó và cách hợp thành những quá trình khác. Theo các mô hình toán học của quá trình có thể xếp các vật thể thành trường, môi trường hay hệ thống. Mạch điện là một hệ thống trong đó thể hiện các dòng truyền đạt, lưu thông của năng lượng hay tín hiệu. Mô hình toán học thường được dùng để mô tả quá trình điện từ trong thiết bị điện là mô hình mạch Kirchooff và mô hình mạch truyền đạt.2Mô hình hệ thống, mô hình mạch - Thứ nhất, mô hình hệ thống là hệ phương trình xác định riêng trong thời gian, mô tả quy luật một loại quá trình của hệ thống.
+ Mô hình mạch truyền đạt hay truyền tin: loại này ứng với những phương trình vi phân hoặc vi tích phân có phép tính là các phép toán tử T. + Mô hình mạch lôgic: loại này ứng với những hệ phương trình đại số loogic với phép tác động lên biến là những quan hệ hàm lôgic L. Đó là phép làm 9 ứng với hai giá trị 0,1 của biến x với một trong hai giá trị 0,1 của biến y biểu diễn tín hiệu từ x sang y. + Mô hình mạng vận trù: loại này ứng với những hệ phương trình phiếm hàm có phép tác động lên biến là phép phiếm hàm F.
Đó là cách làm ứng một hàm x(t) với một số a[x(t)] để đánh gia quá trình x(t). + Mô hình mạch năng động lượng hay mô hình mạch Kirchooff: loại này cũng ứng với những hệ phương trình vi phân hay đại số như loại (a).Ở đây quá trình đo bởi những cặp biến xk(t), yk(t) với xk yk là năng lượng hay động động lượng thường thỏa mãn những luật bảo toàn và liên tục. Trong hệ thống có sự truyền đạt năng lượng giữa các bộ phận. - Thứ hai, mô hình hệ thống còn là những sơ đồ hệ thống hay sơ đồ mạch mô tả các quá trình xét.
Đó là vì ở các hệ thống và mạch các biến trạng thái không phân bố trong không gian, nên có thể dành hình học để lập những cách mô tả toán học về quá trình xét. Ta sẽ gọi chung những cách mô tả hình học ấy là sơ đồ của quá trình. Cụ thể đó là những graph, những hình chắp nối các ký hiệu hình học, dùng để mô tả theo một cách nào đó sự phân bố các biến, các phép tính lên biến, quan hệ giữa các biến và hệ phương trình trạng thái của quá trình. Vì vậy trong các lý thuyết hệ thống và lý thuyết mạch một sơ đồ đồng nhất với một hệ phương trình trạng thái.
Mặt khác sơ đồ còn thường dùng mô tả cấu trúc chắp nối các bộ phận của vật thể xét. Về mặt này sơ đồ còn mô tả rõ hơn hệ phương trình. Chình vì vậy theo thói quen người ta thường hiểu sơ đồ theo nghĩa mô tả cấu trúc vật thể hơn là theo nghĩa mô hình toán học, tất nhiên cách hiểu đó không đầy đủ. Ứng với 4 loại mô hình hệ thống có thể xếp các sơ đồ vào 4 loại: sơ đồ mạch truyền đạt, sơ đồ mạch lôgic, sơ đồ mạng vận trù và sơ đồ mạch Kirchooff.
- Trong kỹ thuật có thể chế tạo những linh kiện hoạt động giống các phần tử sơ đồ, do đó khi lắp ghép lại có thể được một hệ thống linh kiện hoạt động giống hệt một sơ đồ. Hệ thống đó đã mô phỏng tương tự một sơ đồ mạch và do đó mô phỏng tương tự quá trình xét.3 Nhánh, nút và mạch vòng của mạch điện Một mạch điện phúc tạp bao gồm nhiều nhánh kết nối với nhau tạo thành một mạch vòng khép kín giao nhau tại các nút. 10 Nhánh: là một phần của mạch điện, trong đó các phần tử mạch mắc nối tiếp với nhau sao cho có cùng một dòng điện chạy qua. Nút: là chỗ giao nhau của các nhánh (ít nhất 2 nhánh trở lên).
Mạch vòng: là mạch khép kín các nhánh. 2 Các định luật cơ bản về mạch điện Các định luật của mạch điện đã học ở vật lý, ở đây nhấn mạnh áp dụng các biểu thức vào tính toán mạch điện.1 Định luật Ôm 2.1 Định luật ôm cho đoạn mạch Xét nhánh thuần điện trở.