CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN 1. Mô đun M3 môn Điện kỹ thuật. Các khái niệm cơ bản về mạch điện điển hình trong dân dụng và công nghiệp 1. Mạch điện và mô hình mạch điện a.
Mạch điện: Là tập hợp các thiết bị điện ( nguồn, tải, dây dẫn) nối với nhau tạo thành những vòng kín, trong đó dòng điện có thể chạy qua (Hình 1.là một ví dụ mạch điện, trong đó: Nguồn là máy phát (MF), tải gồm một động cơ (ĐC) và một bóng đèn (Đ), các dây dẫn. Mạch điện Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị phát ra là thiết bị điến đổi các dạng năng lượng như: Cơ năng, hoá năng, nhiệt năng.thành điện năng. Ví dụ: ắc qui, máy phát, pin mặt trời Tải: Là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, hoá năng. Dây dẫn: Làm bằng kim loại dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải.
Mô hình mạch điện - Phần tử điện trở (R) Điện trở đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng. Phần tử điện trở (R) 3 Cho dòng điện i chạy qua điện trở R và gây ra điện áp trên điện trở R là uR. Theo định luật ôm quan hệ giữa dòng điện và điện áp là: uR = Ri (1.1) Điện trở đo bằng đơn vị (ôm) và được kí hiệu như hình 1.2 Công suất tiêu thụ trên mạch điện trở là: P = ui = i2R (1.2) - Phần tử điện cảm (L) eL i UL Hình 1. Phần tử điện cảm (L) Đơn vị của điện cảm là H (henry).
Điện cảm L được kí hiệu như hình 1. - Phần tử điện dung (C) C i uc Hình 1. Phần tử điện dung (C) Đơn vị của điện dung là F (fara). Điện dung được kí hiệu như hình 1.
- Phần tử nguồn * Nguồn điện áp (E) Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn. Nguồn điện áp được kí hiệu như hình 1.5a nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng một sức điện e(t) hình 1.5b có chiều từ điện thế thấp đến cao, vì thế điện áp đầu cực nguồn có chiều ngược với chiều sức điện đông. Điện áp hai đầu cực u(t) sẽ bằng sức điện động: u(t) = e(t) (1.3) * Nguồn dòng điện: j (t) 4 Nguồn dòng điện j (t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cấp cho mạch ngoài, ký hiệu nguồn dòng như (hình 1. Nguồn điện áp Hình 1.
Nguồn dòng điện 1. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện a. Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện - Dòng điện. Đặt vật dẫn trong điện trường, dưới tác dụng của lực điện trường, các điện tích dương sẽ di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện tích thấp hơn, còn các điện tích âm di chuyển ngược lại, từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao hơn, tạo thành dòng điện.
Vậy dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hướng dưới tác dụng của lực điện trường. - Chiều qui ước của dòng điện Người ta quy ước chiều dòng điện là chiều di chuyển các điện tích dương, như vậy trong vật dẫn dòng điện sẽ đi từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn. Ngược lại, trong nguồn điện dòng điện sẽ đi từ cực có điện thế thấp đến cực có điện thế cao (hình 1. Trong kim loại, dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hướng.
Vì vậy điện tử di chuyển từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao hơn, nên chiều dòng điện tử ngược với chiều qui ước của dòng điện. Trong dung dịch điện ly, dòng điện là dòng các ion chuyển dời có hướng. Nó gồm có hai dòng ngược chiều nhau: Dòng ion dương có chiều theo chiều qui ước (chiều của điện trường),à dòng ion âm có chiều ngược chiều qui ước. như vậy, các ion dương sẽ chuyển từ anốt về catôt gọi là các cation.
Các ion âm di chuyển từ catốt về anôt, nên được gọi là các anion. 5 Trong môi trường chất khí bị oin hoá, dòng điện là dòng các ion và điện tử chuyển dời có hướng. Nó gồm có dòng ion dương theo chiều của điện trường, từ anôt về catốt, và dòng ion âm và điện tử, đi ngược chiều của điện trường, từ catốt về anôt. Chiều dòng điện - Ký hiệu dòng điện một chiều và xoay chiều Cực có điện thế cao ký hiệu là : (+) Cực có điện thế thấp ký hiệu là : (-) Dòng điện xoay chiều ký hiệu là: AC Dòng điện một chiều ký hiệu là: DC b.
Cường độ dòng điện. Đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện là cường độ dòng điện, ký hiệu là (I) Định nghĩa: Cường độ dòng điện là lượng điện tích qua tiết diện (thẳng) của dây dẫn trong một đợn vị thời gian: Q I (1.4) t Q là điện tích qua tiết diện dây dẫn trong thời gian t Trong hệ SI, đơn vị của điện tích là culông, thời gian là giây, thì đơn vị cường độ dòng điện là ampe (ký hiệu là A). Ampe là cường độ dòng điện cứ mỗi giây có một culông qua tiết diện dây dẫn 1C 1A (1.5) 1s 6 Bội số của ampe là kilô-ampe (kA), ước số là mili-ampe (mA), micrô- ampe (µA) 1kA = 10^3A; 1mA =10^-3A; 1A = 10^3mA = 10^6A. Xác định được mạch điện từ các phần tử cho trước và thực hiện biểu diễn các phần tử thành mạch điện.
Xác định các phần tử trong mạch điện và thực hiện biểu diễn các phần tử để tạo thành mạch điện. Xác định các phần tử trong mạch điện và thực hiện biểu diễn các phần tử để tạo thành mạch điện. Xác định các phần tử trong mạch điện và thực hiện biểu diễn các phần tử để tạo thành mạch điện. Các định luật cơ bản của mạch điện 7 Biến đổi tương đương nhằm mục đích đưa mạch điện phức tạp về dạng đơn giản hơn.
Khi biến đổi tương đương dòng điện, điện áp tại các bộ phận không bị thay đổi vẫn giữ nguyên. Dưới đây đưa ra một số biến đổi tương đương thường gặp. Nguồn áp ghép nối tiếp Biến đổi tương đương nguồn suất điện động nối tiếp E td = ER VD E1 E2 E3 - Etđ = E1– E2 – E3 1. Nguồn dòng ghép song song Biến đổi tương đương nguồn dòng mắc song song Itd= J R VD I3 Itđ = I1 + I2 + I3 I1 I2 1.
Điện trở ghép nối tiếp, song song Biến đổi tương đương điện trở R nối tiếp: Rtđ = R R1 R2 R3 Rtđ Rtđ = R1 + R2 + R3 R1 R2 R1. Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch điện một chiều a. Định luật Ohm 8 Mạch thuần trở R: là mạch chỉ có điện trở R, không có cuộn dây hoặc tụ điện. I R U Biểu thức tính điện áp trên điện trở: U RI U Biểu thức tính dòng điện qua điện trở: I R - Đơn vị của U là V.
- Đơn vị của I là A. - Đơn vị của R là . Mạch có sức điện động E và điện trở R Biểu thức tính điện áp U: U1 U2 U3 U4 U U1 U2 U3 U4 R1I E1 R2I E2 I R1 R2 E1 E2 R1 R2 I E1 E2 U b. Công suất trong mạch một chiều - Công suất tức thời p = u .i p: công suất tức thời tại thời điểm t nào đó p 0 hấp thụ năng lượng, p 0 phát ra năng lượng.
Công suất tác dụng (công suất trung bình hay công suất tiêu thụ) Công suất tiêu thụ trên điện trở R P = U .I = RI 2 Đơn vị: Watt (W) c. Các phương pháp giải mạch điện 1 chiều. Kết cấu hình học của mạch điện - Nhánh : là 1 đoạn mạch gồm những phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng 1 dòng điện chạy thông từ đầu nọ đến đầu kia. - Nút : là giao điểm gặp nhau của 3 nhánh trở lên.
- Vòng (mạch vòng): là 1 lối đi khép kín qua các nhánh. 9 Ví dụ: I A R2 3 nhánh I1 I3 I2 2 nút (A,B) E1 R3 E2 3 vòng Nhánh 1 gồm phần tử R1 mắc nối tiếp với nguồn E1 Nhánh 2 gồm phần tử R2 mắc nối tiếp nguồn E 2 Nhánh 3 gồm phần tử R3. Các định luật Kirchoff Định Luật Kirchoff 1 : (Định Luật Nút) Tổng đại số các dòng điện tại 1 nút bằng 0 Dòng đi vào nút mang dấu dương (+) dòng đi ra nút mang dấu âm (-) hoặc ngược lại i1 i2 i1 + i2 + i3 = 0 i3 i1 i2 i1 + i2 – i3 = 0 i3 i 0 Định luật Kirchoff 2: Tổng đại số điện áp của các phần tử trong 1 vòng kín bằng 0 u 0 Qui ước nếu chiều của dòng điện và sức điện động cùng chiều đi của vòng sẽ mang dấu dương và ngược lại sẽ mang dấu âm. Lưu ý: Nếu mạch có d nút, n nhánh thì (d – 1) phương trình Kirchoff 1 và (n – d +1) phương trình Kirchoff 2.
10 Ví Dụ: Cho mạch điện như hình vẽ R1 B R2 A C I1 I3 I2 E1 E2 R3 l1 l2 D Dùng định luật Kirchoff 1 và Kirchoff 2, tìm dòng điện qua các nhánh I1, I2 và I3. Giải Tại nút B: theo định luật Kirchhoff 1, ta có: I1 – I2 – I3 = 0 Giả sử ta khảo sát vòng kín l1 (A, B, D, A) theo định luật Kirchoff 2 ta có: Uab + Ubd + Uda = 0 I1R1 + I2 R2 + (- E1)= 0 Khảo sát vòng l2 (B,C, D, B) theo định luật Kirchoff 2 ta có: Ubc + Ucd + Udb = 0 I3R3 + E2 + (- I2R2) = 0 Giải hệ 3 phương trình trên ta tìm được dòng điện qua các nhánh I1, I2 và I3. Các phần tử của mạch xoay chiều một pha Dòng điện xoay chiều có chiều và cường độ biến thiên tuần hoàn theo quy luật hình sin của thời gian. i(t) = Imax sin (ωt +µ ) A u(t) = Umax sin (ωt + µu) V i, u : trị số tức thời của dòng điện, điện áp.
Imax, Umax : trị số cực đại (biên độ) của dòng điện, điện áp. µ , µu : pha ban đầu của dòng điện, điện áp.