Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VẺ MẠCH ĐIỆN (Lý thuyết 3; Bài tập 0; Thực hành 0; Kiểm tra 0) A. MUC TIEU - Kiến thức: cung cấp cho sinh viên các khái niệm chung về mạch điện, kết cầu mạch điện; các thông số, đại lượng của mạch điện; cách phân loại mạch điện và hai định luật Kirhoff. - Kỹ năng: giúp sinh viên nhận biết được các nhánh, nút, vòng trong mạch điện và áp dụng được hai định luật kirhoff trong việc phân tích và giải các bài toán về mạch điện. - Thái độ: sinh viên dự lớp đầy đủ, chú ý lăng nghe xây dựng bài.
CHUAN BI - Sinh viên: nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến nội dung học - Giảng viên: Lên lớp đúng giờ, có tập bài giảng in và trình chiếu. PHƯƠNG PHÁP - Thuyết trình, bài tập ứng dụng. MACH DIEN, KET CAU HiINH HOC CUA MACH ĐIỆN 1. Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các đây dẫn tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thê chạy qua.
Mạch điện thường gâm các loại phan tử sau: Nguôn điện, phụ tải, dây dẫn. - Nguồn điện: Là những thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng: máy phát điện (biến cơ năng sang điện năng), ắc qui (biến hoá năng sang điện năng). - Phụ tải điện: Là những thiết bị biến đổi dạng năng lượng điện sang các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng.( Ví dụ như động cơ điện, bàn là, bóng điện. Kết cấu hình học của mạch điện - Nhánh: Nhánh là một bộ phận của mạch điện gồm các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua.
- Nit: Nut là chỗ gặp nhau của từ 3 nhánh trở nên. - Vòng: Vòng là lối đi khép kín qua các nhánh Lì i A b Ri ah. ® R2 2) []R Œ2 o0 ~ he Jo B Hình 1. Kết cấu hình học của mạch điện là 9 Mạch điện trên hình vẽ gồm có 3 nhánh, hai nút và 3 mạch vòng.
Ngoài ra trong mạch điện còn có các thiết bị đo lường và điều khiển. CAC THONG SO CO BAN CUA MACH DIEN 1. Các phần tử cơ bản của mạch điện a. Dòng điện - Dòng điện ¡ về mặt trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang của một vật dẫn.
de —t - Chiều dòng điện, theo qui ước là chiều chuyển động của các điện tích dương trong điện trường. - Don vi cua dong điện theo hệ đơn vị SĨ là Ampe (A). Điện áp - Tại mỗi điểm trong mạch điện đều có một hiệu điện thế. Hiệu điện thế ( hiệu thế ) giữa hai điểm gọi là điện áp.
- Điện áp giữa 2 điểm A, B có hiệu điện thé U, va U, 1a: U4, =U,-U, - Chiều điện áp theo qui ước là chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp. - Đơn vị của điện áp là vôn (V) Chú ý: Đề xác định được chiều của dòng điện và điện áp trên các nhánh ta phải giả thiết chiều dương của chúng. Nếu tại thời điểm t¡ dòng điện và điện áp có trị số đương thì tại thời điểm đó trùng với chiều giả thiết và ngược lại. Công suất - Nếu tại thời điểm t¡ dòng điện và áp trên một nhánh trùng pha nhau thì khi đó: Pitt) = 0u) 1) > 0 khi đó nhánh tiếp nhận năng lượng từ bên ngoài vào.
- Nếu tại thời điểm tị mà Pitt) < 0 thi nhanh phát một công suất ra mạch ngoài. Các thông số cơ bản của mạch điện a. Dién tro R i(t) R —— u(t) Hình 1. Phan tử điện trở R - Khi cho dòng điện xoay chiều i(t) chạy qua điện trở R ( hình 1.2 ) và gây ra điện áp rơi trên điện trở là uạ.
Theo định luật Ohm thì điện áp uạ rơi trên điện trở R được tính: u=iR - Cong suất tiêu thụ trên điện trở được tinh: p=ui=f.R - Như vậy điện trở R đặc trưng cho tính chất tiêu tán năng lượng trên mỗi phẩn tử mạch. Đơn vị của điện trở la 6m (Q). - Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t là: A= [pdt = [Rid - (Khii= constthì A = R. - Don vi cua điện năng là Wh ( Oát giờ ) b.
Điện cảm L it) L — u(t) Hinh 1. Phan tir dién cam L - Khi có đòng điện xoay chiều i(t) chay qua cudn day cé W vong sé sinh ra tir thong moc vòng với cuộn dây ø. Từ thông móc vòng cuộn dây ¢ ty 1é véi dòng điện qua cuộn dây theo hệ số tỷ lệ L. Hệ số L gọi là điện cảm của cuộn dây L=— 1 Đơn vị của điện cảm là Henry ( H) - Khi dòng điện ¡ biến thiên theo thời gian thì từ thông cũng biến thiên và theo định luật cảm ứng điện tử thì trong cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động tự cảm et: e, = 8 - nai dt dt - Điện áp trên cudn day Uy, can bang với sức điện động trong phần tử ấy: 1.
pT dt dt - Công suất trên cuộn dây: đi =u,4i= Li.— Dạ =1! dt - Năng lượng từ trường tích lũy trên cuộn dây: t t 1 W,, = |p,dt = |Lidi==L? M J L J 2 Kết luận: Điện cảm L đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng từ trường của cuộn đây. Dién dung C u(t) Hinh 1. Phan tir dién dung C Khi dat dién ap u,(t) nén tu dién cé dién dung C thì tụ điện sẽ được nạp điện với điện tích q.u,(t) Néu dién ap Uc biến thiên thì sẽ có dòng điện dịch chạy qua tụ điện là: jz dq _d(Cuc) dt dt t =Uu.= + fiar C; Nếu tại thời điểm t = 0 ma tu điện đã có điện tích ban đầu thì điện áp trên tụ điện là: 1 t Wee fide +u,.(0) Cong suat trén tu dién: ˆ đu, - mu = C‹W,.——C Pc c Ct Năng lượng tích lũy trong điện trường của tụ điện: € t t W,, = [pat = [Cau = 5 Cul 0 0 Kết luận: Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường trong tụ điện. Đơn vị của điện dung la Fara (F).
PHAN LOAI VA CAC CHE DO LAM VIEC CUA MACH DIEN 1. Phan loai theo loai dong dién trong mach a. Mach dién mot chiéu - Mach điện có dòng điện một chiều chạy trong mạch gọi là mạch điện một chiều. - Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều không thay đổi theo thời gian.
Dong dién mét chiéu b. Mach dién xoay chiéu - Mach điện có dòng điện xoay chiều gọi là mạch điện xoay chiều. - Dòng điện xoay chiều được sử dụng nhiều nhất là dòng điện hình sin, biến đổi theo hàm sin của thời gian. Dòng điện xoay chiều 1.
Phân loại theo tính chất các thông số R L C của mạch a. Mạch điện tuyến tính Tất cả các phần tử của mạch điện là phần tử tuyến tính, nghĩa là các thông số R, L.M là hằng số, không phụ thuộc và dòng điện ¡ và điện áp u trên chúng. Mạch điện phi tuyến Mạch điện có chứa phần tử phi tuyến gọi là mạch điện phi tuyến.,M của phần tử phi tuyến thay đổi phụ thuộc vào dòng điện I và điện áp u trên chúng. Phân loại theo quá trình năng lượng trong mạch a.
Chế độ xác lập Chế độ xác lập là quá trình, trong đó dưới tác động của các nguồn, dòng điện và điện áp trên các nhánh đạt trạng thái ổn định. Ở chế độ xác lập, dòng điện, điện áp trên các nhánh biến thiên theo một quy luật giống với quy luật biến thiên của nguồn điện: đối với mạch điện một chiều, dòng điện, điện áp một chiều; đối với dòng điện xoay chiều dạng sin, điện áp biến thiên theo quy luật sin với thời gian. Chế độ quá độ Chế độ quá độ là quá trình chuyển tiếp tự nhiên từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Chế độ quá độ xảy ra sau khi đóng cắt hoặc thay đổi thông số của mạch có chứa L, C.
Thời gian quá độ thường rất ngắn Ở chế độ quá độ, dòng điện và điện áp biến thiên theo quy luật khác với quy luật biến thiên ở chế độ xác lập. Phân loại bài toán về mạch điện Mạch điện được chia làm hai loại bài toán: + Phân tích mạch điện: Là dạng bài toán cho biết các thông số và kết cấu mạch điện, cần tính đòng điện, điện áp và công suất các nhánh. + Tổng hợp mạch điện: Là dạng bài toán ngược lại, cần phải thành lập một mạch điện với các thông số và kết cấu thích hợp, để đạt được các yêu cầu định trước về dòng, áp năng lượng. HAI ĐỊNH LUẬT KIRHOFF TRONG MẠCH ĐIỆN 1.
Định luật Kiếchốp 1 - Nội dung định luật: Tổng đại số các dòng điện tại một nút mạng bằng 0.1) J /=l - Trong đó: Quy ước các dòng điện đi tới nút mang dấu đương và các đòng điện rời khỏi nút mạng sẽ mang dấu âm. Định luật Kiếchốp 2 Nội dung định luật: Đi heo một mạch vòng kín với một chiều tuỳ ý, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tứ R, L, C bằng tổng đại số các sức điện động trong mạch vòng. Qui ước điện áp và sức điện động có chiều trùng chiều mạch vòng sẽ mang dẫu dương, ngược lại sẽ mang dấu âm.2) j=l Thay thế các giá trị của uạ , u¡,, uc khi đó định luật Kiếchốp 2 có dạng: đi 1 DRi+ Lo +e fid) = Vel) (1. BÀI TẬP Bài tập 1.
Cho mạch điện như hình vẽ. Tính trị số tức thời dòng điện ¡ chạy trong mạch điện; điện áp trên cuộn dậy ud; điện áp nguôn u và công suât p của nguồn. ta ¬ u —— | Uc Lời giải: Vì các phần tử R, L, C nối tiếp nhau nên dòng điện chạy qua các phần tử bằng dòng điện chạy qua tụ điện và được tính: Điện áp trên điện trở R: uạ = Ri= 3.(-2e ) =-6e (V) Điện áp trên điện cảm:. d(-2e! uy =L” - sa/4E2£ˆ”) =4e' (Vv) dt dt Điện áp trên cuộn dây: Uy =U tu, =—6e "+40" =-2e I (V) Điện áp nguồn: u=u, tu.
Cho mạch điện như hình vẽ. Viết phương trình định luật Kirhoff 1 và kirhoff 2. Lời giải: Phương trình định luật Kirhoff 1 cho nut A. + h-hh =0 Phương trình định luat Kirhoff 2 cho hai vong a va b.
(SV tr gidi) R Ur ) u ạ 2 LÌ } en L=0,1H;R =4Q; dong dién chay trong mach i=6-3e'™. Tinh trị số tức thời điện áp trên các phần tử và điện áp nguồn u. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Trình bày các khái niệm cơ bản về mạch điện 2.