Giáo trình Vật lý điện từ: Phần 1

Phần 1 của giáo trình Vật lý điện từ trình bày những nội dung về: bài 0 - Giải tích vectơ; bài 1 - Điện trường tĩnh; bài 2 - Tụ điện và chất điện môi, vật cân bằng tĩnh điện; bài 3 - Dòng điện và điện trở, các khái niệm và định luật cơ bản về dòng điện;... Mời các bạn cùng tham khảo!

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM VẬT LÝ ĐIỆN TỪ Biên Soạn: TS.Trần Ngọc TS Nguyễn Văn Thuận ThS Đỗ Quốc Huy ThS Nguyễn Thị Ngọc Anh www.hutech.edu.vn VẬT I Ấn 2015 TỪ MỤC ỤC MỤC I ỤC MỤC ỤC I HƢỚ G DẪ VI BÀI 0: GIẢI TÍCH VECTƠ 0.1 H TỌA Ộ DESCARTES 0.2 H TỌA Ộ TRỤ 0.3 H TỌA Ộ CẦU 0.4 TRƢỜ G VÔ HƢỚ G 0.4.1 Định nghĩa 0.4.2 Mặt mức hay mặt đẳng trị 0.4.3 Đạo hàm theo hướng 0.4.4 Gradient trường vô hướng 0.5 TRƢỜ G VECTƠ 0.5.1 Định nghĩa 0.5.2 Đường dòng trường vectơ 0.5.3 Thông lượng divergence trường vectơ 0.5.4 Lưu số rotational trường vectơ 11 0.5.5 Toán tử Laplace (Laplacian) 13 BÀI 1: 1.1 I I TRƢỜ G TĨ H 15 TÍCH - Ị H UẬT COULOMB 15 1.1.1 Điện tích, định luật bảo tồn điện tích 15 1.1.2 Định luật Coulomb 18 1.2 I TRƢỜ G 20 1.2.1 Khái niệm điện trường 20 1.2.2 Vectơ cường độ điện trường 20 1.2.3 Điện thông 23 1.2.4 Định lý Gauss điện trường 24 1.2.5 Năng lượng điện trường 27 1.3 I THẾ, HI U I THẾ 27 1.3.1 Công lực tĩnh điện (lực điện trường) 27 1.3.2 Thế điện tích điện trường 28 1.3.3 Điện 29 1.3.4 Liên hệ điện trường điện 31 1.4 ƢỠ G CỰC I 33 1.4.1 Khái niệm 33 1.4.2 Điện điện trường lưỡng cực điện 33 1.4.3 Tác dụng điện trường lên lưỡng cực điện 34 TÓM TẮT 36 CÂU HỎI TRẮC BÀI 2: TỤ I GHI M 39 VÀ CHẤT I MÔI 41 II MỤC ỤC 2.1 VẬT DẪ CÂN BẰ G TĨ H I 41 2.1.1 Khái niệm vật dẫn cân tĩnh điện 41 2.1.2 Tính chất vật dẫn cân tĩnh điện 42 2.2 HI U Ứ G MŨI HỌ 2.3 HI TƢỢ G 2.4 DUNG CỦA VẬT DẪ I 2.5 TỤ I I 44 HƢỞ G 44 CÔ ẬP 46 47 2.5.1 Khái niệm tụ điện .47 2.5.2 Đặc tính điện tụ .48 2.5.3 Các thông số tụ .52 2.5.4 Các công thức liên quan đến tụ 54 2.5.5 Ghép tụ điện 58 2.5.6 Phân loại tụ điện 61 2.5.7 Cách đọc trị số tụ 66 2.5.8 Phương pháp kiểm tra tụ 67 2.5.9 Các ứng dụng tụ .68 2.6 CHẤT I MÔI 69 TÓM TẮT 72 CÂU HỎI TRẮC BÀI 3: DÕ G I 3.1 CÁC KHÁI GHI M 75 VÀ I I M VÀ TRỞ 79 Ị H UẬT CƠ BẢ VỀ DÒNG I 79 3.1.1 Dòng điện, chiều dòng điện .79 3.1.2 Cường độ dòng điện .80 3.1.3 Mật độ dòng điện 82 3.1.4 Độ linh động 84 3.1.5 Nguồn điện, suất điện động .85 3.2 Ị H UẬT OHM 86 3.2.1 Dạng vi phân định luật Ohm 86 3.2.2 Định luật Ohm đoạn mạch đồng chất 87 3.2.3 Định luật Ohm mạch điện kín 89 3.2.4 Đối với đoạn mạch (định luật Ohm tổng quát) 90 3.3 I TRỞ (RESISTORS) 91 3.3.1 Đặc tính điện 91 3.3.2 Các thông số điện trở .92 3.3.3 Các công thức liên hệ đến điện trở 93 3.3.4 Ghép điện trở 94 3.3.5 Cách đọc trị số điện trở 96 3.3.6 Phân loại điện trở 99 3.4 HỌ CÁC I TRỞ 101 3.4.1 Biến trở (Varistor hay Variable Resitor) 101 3.4.2 Nhiệt trở (Thermistor) 103 3.4.3 Quang trở (LDR) 105 3.4.4 Điện trở tùy áp VDR (Volt Dependent Resistor hay Varistor) 106 MỤC ỤC III 3.4.5 Điện trở cầu chì (Fusistor) 106 3.4.6 Dãy điện trở 107 3.5 CÁC Ứ G DỤ G CỦA 3.6 MẠCH I I TRỞ 107 108 3.6.1 Ngắn mạch hở mạch 108 3.6.2 Công tắc 109 3.6.3 Thiết bị bảo vệ 110 TÓM TẮT 111 CÂU HỎI TRẮC GHI M 113 BÀI 4: TỪ TRƢỜ G TĨ H 117 4.1 TỪ TRƢỜ G, Ị H UẬT BIOT - SAVART - LAPLACE 117 4.1.1 Tương tác từ 117 4.1.2 Khái niệm từ trường, vectơ cảm ứng từ vectơ cường độ từ trường 118 4.1.3 Định luật Biot - Savart - Laplace 118 4.1.4 Đường sức cảm ứng từ 123 4.2 Ị H LÝ GAUSS ỐI VỚI TỪ TRƢỜ G 123 4.2.1 Từ thông 123 4.2.2 Định lý Gauss 124 4.3 Ị H LÝ AMPÈRE ( Ị H LÝ DỊNG TỒN PHẦ ) 125 4.3.1 Lưu số vectơ cảm ứng từ 125 4.3.2 Định lý Ampère 125 4.3.3 Áp dụng định lý Ampère để xác định từ trường 125 4.4 Ị H UẬT AMPÈRE 126 4.4.1 Biểu thức định luật 126 4.4.2 Công lực từ 128 4.5 TÁC DỤ G CỦA TỪ TRƢỜ G LÊN MẠCH I KÍN 129 4.5.1 Lực từ tác dụng lên dây dẫn kín 129 4.5.2 Momen lực từ tác dụng lên khung dây dẫn kín 129 4.6 CHUYỂ Ộ G CỦA HẠT MANG I TRONG TỪ TRƢỜ G 130 4.6.1 Lực Lorentz 130 4.6.2 Chuyển động hạt điện từ trường 131 4.7 HI U Ứ G HALL 133 4.8 MỘT VÀI Ứ G DỤ G 135 4.8.1 Bơm điện từ 135 4.8.2 Xác định điện tích riêng ion, khối phổ kế 136 4.8.3 Máy gia tốc cyclotron synchrotron 137 TÓM TẮT 139 CÂU HỎI TRẮC BÀI 5: CẢM Ứ G 5.1 CÁC GHI M 143 I TỪ 146 Ị H UẬT CƠ BẢ VỀ CẢM Ứ G I TỪ 146 5.1.1 Hiện tượng cảm ứng điện từ 146 5.1.2 Định luật Lenz 147 5.1.3 Định luật Faraday suất điện động cảm ứng 147 5.2 DÒNG I FOUCAULT 152 IV MỤC ỤC TÓM TẮT 154 CÂU HỎI TRẮC BÀI 6: CUỘ GHI M 156 CẢM VÀ Ứ G DỤ G 159 6.1 CUỘ CẢM 159 6.1.1 Cấu tạo 159 6.1.2 Hiện tượng tự cảm 161 6.1.3 Hỗ cảm 164 6.1.4 Trở kháng cuộn cảm 165 6.1.5 Điện dung cuộn cảm 166 6.1.6 Ghép cuộn cảm 166 6.1.7 Cách đọc trị số cuộn cảm 166 6.1.8 Năng lượng từ trường 167 6.1.9 Sự nạp xả cuộn cảm 170 6.1.10 Hệ số phẩm chất (Quality factor) cuộn cảm 171 6.1.11 Phân loại cuộn cảm 172 6.2 BIẾ THẾ (TRANSFORMER) 176 6.2.1 Cấu tạo 176 6.2.2 Nguyên lý hoạt động 177 6.2.3 Hướng vòng dây 177 6.2.4 Hệ thức biến 178 6.2.5 Biến với vai trò thiết bị cách điện 179 6.2.6 Các loại biến khác 180 6.2.7 Các lỗi thường gặp biến 182 6.2.8 Cách đo thử kiểm tra 183 6.3 Ứ G DỤ G CỦA CUỘ CẢM 183 6.3.1 Mạch lọc nguồn 183 6.3.2 Chốt tần số radio 184 6.3.3 Mạch điều chỉnh 184 6.3.4 Micro điện động 185 6.3.5 Loa điện động 185 6.3.6 Relay 186 6.4 HI U Ứ G BỀ MẶT 188 TÓM TẮT 191 CÂU HỎI TRẮC GHI M 193 BÀI 7: TRƢỜ G VÀ SÓ G 7.1 THUYẾT MAXWELL VỀ I TỪ 197 I TỪ TRƢỜ G 197 7.1.1 Luận điểm Maxwell thứ – điện trường xoáy 197 7.1.2 Luận điểm Maxwell thứ hai – dòng điện dịch 199 7.1.3 Hệ phương trình Maxwell 201 7.1.4 Ý nghĩa thuyết Maxwell 202 7.2 SÓNG I TỪ 203 7.2.1 Hệ phương trình Maxwell mơ tả sóng điện từ 203 7.2.2 Sóng điện từ phẳng, phân cực thẳng 204 MỤC ỤC V 7.2.3 Tính chất tổng quát sóng điện từ 206 7.2.4 Thang sóng điện từ 208 7.2.5 Ứng dụng sóng điện từ 209 TÓM TẮT 211 CÂU HỎI TRẮC BÀI 8: VẬT RẮ 8.1 VẬT RẮ GHI M 213 TI H THỂ SIÊU DẪ 217 TINH THỂ 217 8.1.1 Năng lượng electron vật rắn tinh thể 217 8.1.2 Phân bố Fermi - Dirac 222 8.1.3 Khối lượng hiệu dụng electron 226 8.1.4 Các electron dẫn kim loại 228 8.1.5 Hiệu điện tiếp xúc hai kim loại 232 8.2 SIÊU DẪ 234 8.2.1 Khái niệm siêu dẫn 234 8.2.2 Tính chất chất siêu dẫn 235 8.2.3 Giải thích tượng siêu dẫn 237 TÓM TẮT 238 CÂU HỎI TRẮC BÀI 9: CHẤT BÁ GHI M 240 DẪ 9.1 CHẤT BÁN DẪ VÀ Ứ G DỤ G 243 (SEMICONDUCTOR) 243 9.1.1 Bán dẫn tinh khiết (bán dẫn thuần) 244 9.1.2 Chất bán dẫn tạp 246 9.1.3 Sự phụ thuộc điện trở suất chất bán dẫn vào nhiệt độ 249 9.2 HI TƢỢ G KHUẾCH TÁN 250 9.3 ỚP TIẾP XÚC P-N 252 9.3.1 Lớp tiếp xúc p-n chưa có điện trường ngồi 252 9.3.2 Lớp tiếp xúc p-n có điện trường 253 9.4 DIODE CHỈ H ƢU 256 9.4.1 Cấu tạo 256 9.4.2 Các thông số diode 258 9.4.3 Hình dạng số diode 259 9.4.4 Điện trở tụ diode cách đo thử kiểm tra tụ 259 9.5 TRANSISTOR ƢỠ G CỰC 262 9.5.1 Cấu tạo 262 9.5.2 Nguyên tắt hoạt động 262 9.5.3 Tra cứu- hình dạng - cách đo thử 265 9.5.4 Các thông số transistor 267 TÓM TẮT 270 CÂU HỎI TRẮC GHI M 272 VI HƢỚ G DẪ HƢỚ G DẪ MÔ TẢ MƠ HỌC Giáo trình Vật lý điện từ trình bày kiến thức tượng điện - từ số ứng dụng chúng khoa học, công nghệ đời sống Những nội dung đưa giáo trình là: khái niệm điện tích, điện trường, điện thế, điện thơng, định lý, định luật điện trường tĩnh; khái niệm từ trường, cảm ứng từ, từ thông, định lý, định luật từ trường tĩnh; tượng cảm ứng điện từ; giới thiệu tổng quan trường điện từ hệ phương trinhg Maxwell Giáo trình đề cập tới cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng số linh kiện điện tử thông dụng điện trở, tụ điện, cuộn cảm,… thường gặp mạch điện Ngồi ra, giáo trình cịn trình bày tính dẫn điện vật rắn tinh thể siêu dẫn, chất bán dẫn ứng dụng ỘI DU G MƠ - HỌC Bài 0: Giải tích vectơ Bài trình bày cách xác định tọa độ điểm hệ tọa độ Descartes, hệ tọa độ trụ, hệ tọa độ cầu Ngồi ra, cịn đề cập đến khái niệm trường vô hướng, trường vectơ, số đại lượng đặc trưng cho trường - Bài 1: iện trƣờng tĩnh Bài đề cập đến khái niệm điện tích, mật độ điện tích, điện trường, cường độ điện trường, đường sức điện trường, điện thế, hiệu điện thế, điện thông; nguyên lý chống chất điện trường; định luật bảo toàn điện tích, định luật Coulomb, định lý Gauss ứng dụng để xác định cường độ điện trường cho hệ điện tích phân bố đối xứng; mối liên hệ điện trường điện thế; lượng điện trường; lưỡng cực điện - Bài 2: Tụ điện chất điện mơi Trong trình bày nội dung vật dẫn cân tĩnh điện, hiệu ứng mũi nhọn; điện dung vật dẫn; cấu tạo, hình dạng, đặc tính số tụ điện đơn giản; cách đọc trị số tụ điện; ghép tụ điện; cách HƢỚ G DẪ VII đo thử kiểm tra tụ; lượng tụ điện; số ứng dụng tụ điện Bài học khảo sát phân cực chất điện môi; điện trường chất điện môi - Bài 3: Dòng điện điện trở Bài học đề cập đến khái niệm dòng điện, cường độ dòng điện, mật độ dòng điện, sức điện động; định luật dịng điện; ký hiệu, cấu tạo, hình dạng, đặc tính điện điện trở; màu sắc cách đọc trị số điện trở; cách ghép điện trở; số ứng dụng điện trở; mạch điện tử, khái niệm ngắn mạch hở mạch; mạch bảo vệ - Bài 4: Từ trƣờng tĩnh Bài trình bày khái niệm tương tác từ, từ trường, cường độ từ trường, đường sức từ, từ thông; định luật Biot - Savart - Laplace, định lý Gauss cho từ trường, định lý Ampère dịng tồn phần lực tác dụng lên phần tử dòng điện; tác dụng từ trường lên dịng điện; cơng lực từ; chuyển động hạt mang điện từ trường; hiệu ứng Hall ứng dụng - Bài 5: Cảm ứng điện từ Những nội dung học tượng cảm ứng điện từ; định luật Lenz chiều dòng điện cảm ứng; định luật Faraday suất điện động cảm ứng; số ứng dụng tượng cảm ứng điện từ - Bài 6: Cuộn cảm Bài học trình bày tượng tự cảm, hỗ cảm; hệ số tự cảm, cách ghép cuộn cảm, cách đọc trị số cuộn cảm, lượng từ trường; đặc tính điện cuộn cảm mạch DC AC, phân loại vài ứng dụng cuộn cảm Biến vấn đề liên quan, cách đo thử kiểm tra cuộn cảm biến - Bài 7: Giới thiệu trƣờng sóng điện từ Bài đưa hai luận điểm Maxwell; giới thiệu hệ phương trình Maxwell; ý nghĩa thuyết điện từ Maxwell; sóng điện từ, sóng điện từ phẳng, thang sóng điện từ; ứng dụng sóng điện từ - Bài 8: Vật rắn tinh thể - Siêu dẫn Trong đề cập đến khái niệm vật rắn tinh thể; tách mức lượng vật rắn; phân loại vật rắn theo thuyết vùng lượng; phân bố Fermi – Dirac; electron dẫn kim loại; hiệu điện tiếp xúc; tượng siêu dẫn - Bài 9: Chất bán dẫn - Ứng dụng Bài giới thiệu đại cương chất bán dẫn, chất bán dẫn thuần, tạp loại N, loại P; cấu trúc vùng lượng; lớp tiếp xúc P-N, VIII HƢỚ G DẪ đặc tuyến Volt - Ampe, ứng dụng chế tạo linh kiện điện tử: diode chỉnh lưu, BJT, FET,… KIẾ THỨC TIỀ Ề Để học tốt môn học sinh viên phải có tảng tốn cao cấp YÊU CẦU MÔ HỌC Sinh viên phải dự học đầy đủ buổi lên lớp, tham khảo tài liệu, ôn lại học làm tập đầy đủ nhà CÁCH TIẾP HẬ ỘI DU G MÔ HỌC Đối với học, sinh viên đọc trước mục tiêu tóm tắt học, sau đọc kỹ nội dung học Muốn học tốt môn học xong học sinh viên cần ơn tập học đó, trả lời câu hỏi làm đầy đủ tập học; tìm thêm thơng tin liên quan đến nội dung học tài liệu tham khảo, để hiểu kiến thức trình bày học cách đầy đủ sâu sắc PHƢƠ G PHÁP Á H GIÁ MƠ HỌC Mơn học đánh giá gồm: - Điểm trình: 30% Hình thức nội dung giảng viên định, phù hợp với quy chế đào tạo tình hình thực tế nơi tổ chức học tập - Điểm thi: 70%; Hình thức thi: trắc nghiệm; Thời gian làm bài: 60 phút Nội dung thi kiến thức từ học đến học 102 BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ Cách đọc trị số biến trở: VR ghi 103 nghĩa VR=10.103 = 10 K; VR ghi 502 nghĩa VR= 50.102 = K Cấu tạo biến trở Người ta tráng lớp than mỏng lên hình vành cung Bakelit, hai đầu lớp than hai chân 1, biến trở Ở có chạy kim loại tiếp xúc lớp than, chạy trùng chân biến trở Trục xoay gắn liền với chạy Khi chỉnh biến trở trục xoay nối với Hình 3.26: Cấu tạo biến trở chạy di động lớp than làm cho trị số biến trở thay đổi Ngoài đặc tính tương tự điện trở cố định, biến trở cịn có thơng số quan trọng luật điện trở Luật điện trở cho biết trị số điện trở thay đổi ta thay chạy biến trở - Nếu quan hệ góc quay biến trở trị số điện trở thay đổi đường thằng hình 3.27 (trị số R tỉ lệ với góc xoay) gọi Hình 3.27: Luật điện trở loại biến trở tuyến tính Loại biến trở sử dụng theo luật thường dùng để điều chỉnh âm sắc - Nếu quan hệ góc quay chiết áp có luật điện trở đường cong hình 3.27 gọi loại biến trở loga Loại biến trở thường dùng để điều chỉnh âm lượng, cảm nhận tai người thay đổi âm khơng tuyến tính, nên loại loga để điều chỉnh âm lượng đạt thay đổi từ từ, khơng bị chói tai dùng chiết áp loại tuyến tính Phương pháp đo thử- kiểm tra biến trở: Ở chế độ đo nguội, đồng hồ vị trí đo VOM để giai đo Ohm Chỉnh phân cực kim đồng hồ nút Adjust cho kim chập kim vị trí 0 BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ 103 Chập hai que vào hai chân (giữa chân 3) để đo trị số cố định (có giá trị số ghi bên ngồi thân biến trở) Đưa hai que vào chân (chân nối với trục xoay), từ từ xoay trục biến trở theo chiều kim đồng hồ ngược lại Nếu: - Kim VOM lên xuống cách đặn: Biến trở cịn tốt - Kim khơng thay đổi trị số: Biến trở hỏng Trong qúa trình xoay biến trở có vài trị số kim bị chựng lại hay nhảy vọt: biến trở mòn, tiếp xúc xấu 3.4.2 hiệt trở (Thermistor) Dựa tính chất nhiệt vật liệu, người ta chế tạo nhiệt trở Nhiệt trở loại điện trở mà tính chất thơng số phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt trở có ký hiệu hình 3.28 RT t PTC NTC THERMISTOR Hình 3.28: Ký hiệu nhiệt trở Nhiệt trở thường có hai loại: a Nhiệt trở dương PTC (Positive Temperature Coefficient) Còn gọi nhiệt trở có hệ số nhiệt dương Tính chất PTC linh kiện có điện trở tăng nhiệt độ tăng Nó chế tạo từ hợp chất sứ-sắt titanate-baryum… Nó có nhiều dạng như: hình đĩa, hạt đậu hay hình trụ có đầu nhọn Cơng thức tính thay đổi điện trở Thermistor theo nhiệt độ: R T1 e R T2 ( 1  ) T1 T2 T1, T2: nhiệt độ 0K RT1, RT2 : Điện trở ứng với nhiệt độ T1, T2 Β: thuộc vào vật liệu chế tạo Thermistor 104 BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ Hình 3.29: Hình dạng thường gặp nhiệt trở Đặc tuyến biểu diễn phụ thuộc điện trở RT vào nhiệt độ PTC hình vẽ 3.30a Hình 3.30a: Đặc tuyến nhiệt trở PTC Hình 3.30b: Đặc tuyến nhiệt trở NTC Ứng dụng: Nhiệt trở PTC thường dùng để bảo vệ mạch khỏi bị dòng (ổn định dòng), ổn định điều kiện làm việc mạch khuyếch đại (đặc biệt mạch khuyếch đại công suất) b Nhiệt trở âm NTC (Negative Temperature Coefficient) NTC cịn gọi nhiệt trở có hệ số nhiệt âm Tính chất NTC linh kiện có điện trở giảm nhiệt độ tăng NTC chế tạo từ hợp chất manganđồng, mangan-cobalt… Đặc tuyến hình vẽ 3.30b Ứng dụng: Nhiệt trở sử dụng nhiều kỹ thuật điện tử Nó thừơng dùng để điều chỉnh nhiệt, trung hòa thành phần khác mạch điện làm việc khoảng nhiệt rộng (ổn định nhiệt cho tầng khuyếch đại công suất) Ngồi nhiệt trở cịn có chức đặc biệt như: đo lượng phóng xạ, lượng ánh sáng Mặt trời, lượng tia đặc biệt, đóng vai trị báo thiết bị BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ 105 Phương pháp đo thử - kiểm tra nhiệt trở: Dùng đồng hồ đo Ohm đo hai đầu PTC thấy giá trị điện trở nhỏ Đặt gần mỏ hàn nóng, thấy R tăng lên PTC cịn tốt Dùng đồng hồ đo Ohm đo đầu NTC bình thường thấy số Ohm lớn, đặt gần nơi nhiệt độ cao mỏ hàn thấy R giảm tốt 3.4.3 Quang trở ( DR) Quang trở linh kiện có giá trị điện trở thay đổi tùy thuộc vào chế độ ánh sáng chiếu lên hình 3.31 Cấu tạo: Để chế tạo quang trở người ta dùng chất cách điện dày, rãi chân không lớp bán dẫn nhạy sáng mỏng (có độ dẫn suất thay đổi rõ rệt có ánh sáng chiếu vào) Hai đầu mạ kim loại để hàn điện cực dẫn Toàn phiến bán dẫn bọc vỏ kim loại chất dẻo, có cửa sổ suốt Hình 3.31: Đặc tuyến LDR để ánh sáng chiếu vào phiến bán dẫn, cấu tạo hình dạng quang trở hình 3.32 (a) (b) (c) Hình 3.32: Ký hiệu (a) , cấu tạo (b) hình dạng quang trở (c) Quang trở có loại: Loại sử dụng với ánh sáng thường, sử dụng với ánh sáng hồng ngoại Ứng dụng: Quang trở ứng dụng nhiều lĩnh vực điều khiển từ xa: Đóng mở thiết bị từ xa, tự động mở tắt đèn, máy đếm tiền… 106 BÀI 3:DÕ G 3.4.4 I VÀ I TRỞ iện trở tùy áp VDR (Volt Dependent Resistor hay Varistor) VDR có hình dạng giống nhiệt trở cơng dụng khác với nhiệt trở VDR biến trở có khả thay đổi trị số tùy vào điện đặt theo nguyên tắc mức ngưỡng Cực kim loại VDR Chất bán dẫn Chất cách điện Hình 3.33: Ký hiệu, cấu tạo hình dạng điện trở tùy áp - Khi điện vào nhỏ mức ngưỡng quy định theo đặc tuyến (V< V ref ) VDR có R lớn ( vài M đến vài chục M), nên có tác dụng linh kiện bị hở mạch - Khi điện tăng lên cao (V  Vref ) VDR có R nhỏ (vài  đến vài trăm ), nên xem linh kiện làm ngắn mạch điện Phương pháp đo thử VDR: Thường VDR lớn, đo thấy giá trị nhỏ VDR hỏng Ứng dụng: VDR sử dụng rộng rãi kỹ thuật vô tuyến điện dùng để dập tắt điện áp phản hồi sinh từ cuộn dây, trường hợp chống áp nguồn vào (bộ nguồn máy tính, ti vi màu), áp Tranformer (phần quét dọc ti vi), bảo vệ chống sét (hộp chống sét điện thoại hay trạm biến thế) 3.4.5 iện trở cầu chì (Fusistor) Hình 3.34: Ký hiệu hình dạng điện trở cầu chì BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ 107 Điện trở cầu chì có hình dạng giống điện trở thơng thường kích thước lớn trị số vài ohm Điện trở cầu chì thường mắc mạch đường nguồn Khi dòng qua R lớn, dòng làm đứt điện trở này, mạch cắt dòng Nhờ mạch bị cắt nguồn bảo vệ có cố (điện tăng) Fusistor thường có trị số nhỏ (khoảng vài ) 3.4.6 Dãy điện trở Là loại sản xuất nhằm đáp ứng cho ứng dụng cần loạt điện trở giá trị mắc song song với (ví dụ cần hạn dòng cho dãy ma trận LED) Loại điện trở chế tạo rời sau hàn chung chân (có vỏ khơng có vỏ) chế tạo theo kiểu vi mạch với kiểu chân SIP DIP - SIP (Single Resistor Network): linh kiện mạng điện trở, có hình thức đóng gói hàng chân Hình 3.35: Mạng điện trở SIP - DIP: (Dual Resistor Network): linh kiện mạng điện trở, có hình thức đóng gói hai hàng chân Hình 3.36: Mạng điện trở DIP 3.5 CÁC Ứ G DỤ G CỦA I TRỞ Trong sinh hoạt, điện trở dùng để chế tạo dụng cụ điện như: bàn ủi, bếp điện, bóng đèn, nồi cơm điện… 108 BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ Trong công nghiệp, điện trở dùng để chế tạo thiết bị sấy, sưởi, giới hạn dòng khởi động động cơ… Trong lĩnh vực điện tử, điện trở dùng để giới hạn dòng điện hay tạo giảm thế… 3.6 MẠCH I Về mạch điện gồm nguồn cung cấp, tải dây dẫn, hình 3.37 ví dụ mạch điện: ắc quy kết nối với bóng đèn với hai dây dẫn Ắc quy nguồn áp, bóng đèn tải, hai dây dẫn cung cấp dòng điện tử từ cực âm nguồn ắc quy đến tải quay cực dương nguồn Trong đa số trường hợp, cực ắc quy Hình 3.37: Mạch điện gọi điểm gốc điện (0V) hay thường gọi mass, Ground (GND) hình 3.38 Dịng e Dịng e Hình 3.38: Mạch điện 3.6.1 gắn mạch hở mạch Trong hình 3.39b minh họa khái niệm ngắn mạch (đóng mạch), mạch mà dịng điện chạy mạch vịng kín Trong hình 3.39c, dịng điện tử khơng thể dịch chuyển, khơng có dịng điện chạy mạch kín (I= 0) ta gọi hở mạch BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ 109 3.6.2 Công tắc Công tắc thành phần thường dùng để khiển đóng hở mạch Ví dụ cơng tắc sử dụng để đóng mở đèn hình 3.39 Hình 3.39a loại cơng tắc đơn cực hướng (SPST: Single-pole/single-throw) Trong hình b cơng tắc trạng thái đóng mạch, hình c cơng tắc trạng thái hở mạch Hình 3.39a: SPST Hình 3.39b: Cơng tắc đóng mạch Hình 3.39c: Cơng tắc hở mạch Hình 3.39: Đóng hở mạch cơng tắc đơn cực hướng SPST Ở hình 3.40a sử dụng công tắc đơn cực hai hướng (SPDT: single-pole/doublethrow) để điều khiển hai bóng đèn, bóng đóng bóng hở mạch hình 3.40b Hình 3.40a: Cơng tắc đơn cực hai hướng SPDT Hình 3.40b: Điều khiển dùng cơng tắc đơn cực hai hướng SPDT Hình 3.41 trình bày loại cơng tắc thường sử dụng thị trường như: - Hình c: Cơng tắc hai cực đơn hướng (DPST: double-pole/single-throw), - Hình d: Cơng tắc hai cực hai hướng (DPDT: double-pole/double-throw), - Hình e: cơng tắc nhấn thường mở (NOPB: Nornally- Open Push-button) - Hình f: cơng tắc nhấn thường đóng (NCPB: Nornally- Open Push-button) - Hình g: cơng tắc chuyển mạch đơn cực nhiều vị trí… 110 BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ Hình 3.41: Các loại cơng tắc thị trường Hình dạng số loại cơng tắc thị trường: Hình 3.42: Hình dạng số loại cơng tắc thị trường 3.6.3 Thiết bị bảo vệ Cầu chì mạch bảo vệ dùng để tạo hở mạch dòng vượt trị số cho phép số trục trặc khác thường mạch Ví dụ cầu chì 20A bị hở mạch dòng mạch vượt 20A Sự khác cầu chì mạch bảo vệ, có cố cầu chì bị nổ, nên muốn hệ thống tiếp tục hoạt động cần phải thay cầu chì khác, mạch bảo vệ bị hở, cần reset lại hệ thống tiếp tục sử dụng Mục đích thiết bị bảo vệ hệ thống dòng mạch vượt giới hạn cho phép Hình cầu chì, Cb chống giật mạch bảo vệ… Hình 3.43: Một số thiết bị bảo vệ BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ 111 TÓM TẮT - Dịng điện dịng chuyển dời có hướng hạt mang điện Chiều dòng điện qui ước chiều chuyển động hạt mang điện dương, hay ngược chiều chuyển động hạt âm - Cường độ dòng điện I điện lượng chuyển qua diện tích S đơn vị thời gian I  - dQ Q , giá trị I khơng đổi theo thời gian ta có dịng điện chiều I  dt t Mật độ dòng điện chất dẫn điện cường độ dịng điện qua đơn vị diện tích tiết diện ngang S: j  I S Vectơ mật độ dòng điện điểm tỉ lệ thuận với vectơ vận tốc chuyển động   có hướng hạt tải điện điểm đó: j  nq v d Trong hệ SI, đơn vị đo cường độ dòng điện ampe (A); đơn vị đo mật độ dòng điện ampe mét vuông (A/m2) - Độ linh động: tỉ số vận tốc có hướng trung bình hạt điện cường độ điện trường:   vd E Do mối liên hệ mật độ dòng độ linh động: j  nqE Mối quan hệ độ linh động thời gian sống hạt:   q. m* (Với m*: khối lượng thực hạt, mà khối lượng biểu kiến, hay khối lượng hiệu dụng hạt chuyển động vật liệu chịu tương tác hạt xung quanh cấu tạo nên vật liệu) - Điện trở linh kiện thụ động có tác dụng cản trở dịng điện tùy thuộc vào trị số theo định luật Ohm: I   U R Các thông số cần quan tâm sử dụng điện trở: Trị số điện trở, Sai số hay độ xác, công suất định mức 112 - BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ Các công thức liên hệ đến điện trở:  Trị số điện trở: R=  l: chiều dài dây dẫn (m) R: điện trở () : điện trở suất (.mm2/ m) S: tiết diện dây (mm2) l S Điện trở suất: 0 : điện trở suất đo 00C : hệ số nhiệt điện trở, biểu thị tăng  nhiệt độ tăng lên 10C t: nhiệt độ (0C)   0 (1  t)  Năng lượng tiêu tán điện trở: W= U.I.t (J), với: U = RI  - Công suất điện trở: P  I= U/R => W= R.I2.t (J) W U2  UI  RI  t R Ghép điện trở:  Nối tiếp: n R td  R1  R   R n   R k k 1  Song song: n 1 1      Rtd R1 R2 Rn i 1 Ri - Biến trở (Varistor hay Variable Resitor): điện trở thay đổi trị số - Nhiệt trở (Thermistor): linh kiện có điện trở thay đổi theo nhiệt độ Nhiệt trở thường có hai loại:  Nhiệt trở dương PTC (Positive Temperature Coefficient): linh kiện có điện trở tăng nhiệt độ tăng  Nhiệt trở âm NTC (Negative Temperature Coefficient): linh kiện có điện trở giảm nhiệt độ tăng BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ 113 - Quang trở (LDR): linh kiện có điện trở thay đổi theo ánh sáng - Điện trở tùy áp VDR (Volt Dependent Resistor hay Varistor): linh kiện có điện trở thay đổi theo điện áp - Điện trở cầu chì (Fusistor): linh kiện có điện trở thay đổi theo dòng điện CÂU HỎI TRẮC GHI M Câu 1: Muốn chế tạo điện trở 5, làm từ dây mangan (có = 0,42 .mm2/m), đường kính dây 0,5mm Hỏi phải lấy dây có chiều dài l ? A l = 4,8m B l = 2,8m C l = 2,3m D l = 9,52m Câu 2: Trong giây, có điện lượng 2C chuyển qua tiết diện thẳng dây dẫn Tính giá trị trung bình cường độ dịng điện dây dẫn A 2,5 A B 0,4 A C 10 A D A Câu 3: Một dịng điện khơng đổi I = 10A chạy qua dây dẫn có tiết diện thẳng 2mm Tính mật độ dịng điện trung bình qua dây dẫn A A/m2 B 20 A/mm2 C A/mm2 D 0,2 A/mm2 Câu 4: Cầu chì bị đứt mật độ dòng điện qua dây chì 450A/cm Một động điện có dịng giới hạn 9A Hỏi phải dùng dây chì có đường kính để bảo vệ động cơ? A 2,25 mm B 1,6 mm C mm D 2,5 mm Câu 5: Hai điện trở R1 = 20, R2 = 30 ghép nối tiếp vào nguồn điện U = 24V Tính điện áp U1, U2 hai đầu R1, R2 A U1 = U2 = 12V B U1 = 9,6V; U2 = 14,4V C U1 = 14,4V; U2 = 9,6V D U1 = U2 = 24V Câu 6: Hai điện trở R1 = 20, R2 = 30 ghép song song vào nguồn điện U = 24V Tính cường độ dòng điện I1, I2 qua R1, R2 A I1 = I2 = 0,48A B I1 = 1,2A; I2 = 0,8A 114 BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ C I1 = 0,8A; I2 = 1,2A D I1 = I2 = 2A Câu 7: Một dây dẫn đồng chất, tiết diện ngang 2mm2, có dịng điện I = 16A chạy qua Tính vận tốc chuyển động có hướng electron dây dẫn Giả sử rằng, mật độ electron tự dây dẫn 2.1022 hạt/cm3 A 2,5 m/s B 2,5 cm/s C 2,5 mm/s D mm/s Câu 8: Nguồn điện có suất điện động 12V cung cấp dịng điện lớn 15A Tính điện trở nguồn A 0,8 B 1,25 C 0,5 D 1,5 Câu 9: Dịng điện có cường độ I = 1A nạp vào acqui có suất phản điện E = 3V, điện trở r Hiệu điện hai cực acqui UAB = 4V Bỏ qua điện trở dây dẫn Tính công suất tiêu thụ acqui A 4W B 3W C 2W D W Câu 10: Một acqui có dung lượng 12Ah Giả sử ban đầu acqui “no” điện, cho acqui phóng điện qua biến trở với dịng điện khơng đổi I = 0,5A Hỏi sau acqui hết điện? A h B 12 h C 24 h D 48 h Câu 11: Tìm độ linh động điện tử tự đồng, biết nhiệt độ phịng thí nghiệm, vận tốc có hướng trung bình điện tử điện trường có cường độ A   3.103 ( m2 ) s.V B   0,3( m/s chuyển động V/cm m2 ) s.V C   3.107 ( m2 ) s.V D   0,3.103 ( m2 ) s.V Câu 12: Tính thời gian trung bình hai va chạm liên tiếp điện tử độ linh động 500( q= Lấy khối lượng điện tử A   2,1825.1011 ( s) B   2,8125.1010 ( s) C   2,8125.106 ( s) D   7.104 ( s) Điện tích điện tử BÀI 3:DÕ G Câu 13: Có ba điện trở giống R=1 I VÀ I TRỞ 115 , cơng suất tối đa Tính điện trở tương đương công suất tối đa điện trở mắc nối tiếp A P= C P= B P= D P= Câu 14: Các thông số sau phải ý sử dụng R: A Điện áp, dòng điện, sai số B Giá trị, sai số, cơng suất C Hình dáng, cơng suất D Câu A, C Câu 15: Một điện trở với vòng màu ” nâu - đen - đỏ - vàng kim” có giá trị: A 10K ± 5% B 100 K ± 5% C 1K ± 5% D K ± 10% Câu 16: Hãy cho biết mã màu điện trở R= 3,3M ± 10%, điện trở có vịng màu: A Đỏ-đỏ-lam-vàng kim B Cam-cam-lục-bạc C Đỏ-đỏ-lam-bạc D Cam-cam-lam-bạc Câu 17: Một điện trở xác có vịng màu ”Tím- lục- đen- đỏ- nâu” có giá trị: A 860 k ± 2% B 47 k ± 2% C 75 k ± 1% D 76,1 k ± 1% Câu 18: Một điện trở bề mặt (surface mount) hay dán bề mặt, ghi trị số 1502, điện trở có giá trị: A 1502 B 150 ± 2% C 15,02 D 15K Cho mạch cầu phân áp hình 3.44, xác định giá trị VA theo VCC, R1, R2: 116 BÀI 3:DÕ G I VÀ I TRỞ A V A  R2 VCC R1  R2 B V A  R1 VCC R1  R2 C V A  R2 R1  R2 D VA  R1 R2 VCC R1  R2 Hình 3.44: Cầu phân áp Câu 19: Cho mạch cầu phân dịng hình 3.45, xác định giá trị I2 theo I, R1, R2: A I  I R2 R1  R2 B I  I R1  R2 R2 C I  I R2 R1  R2 D I  I R1 R1  R2 Hình 3.45: Cầu phân dòng Câu 20: Điện trở tùy áp VDR (Volt Dependent Resistor hay Varistor) điện trở có: A Điện trở tăng điện áp đặt vào hai đầu tăng B Cơng suất thay đổi điện áp đặt vào hai đầu tăng C Điện trở giảm điện áp đặt vào hai đầu lớn điện áp ngưỡng D Điện trở tăng điện áp đặt vào hai đầu lớn điện áp ngưỡng Câu 21: Điện trở có chân, ghi trị số 103, nghĩa là: A Có chân chung, bên có điện trở có trị số 103 B Có chân chung, bên có điện trở có trị số 10 C Có chân chung, bên có điện trở có trị số 1K D Có chân chung, bên có điện trở có trị số 10K ... 11 0.5.5 Toán tử Laplace (Laplacian) 13 BÀI 1: 1. 1 I I TRƢỜ G TĨ H 15 TÍCH - Ị H UẬT COULOMB 15 1. 1 .1 Điện tích, định luật bảo tồn điện tích 15 1. 1.2... 11 0 TÓM TẮT 11 1 CÂU HỎI TRẮC GHI M 11 3 BÀI 4: TỪ TRƢỜ G TĨ H 11 7 4 .1 TỪ TRƢỜ G, Ị H UẬT BIOT - SAVART - LAPLACE 11 7 4 .1. 1 Tương tác từ 11 7... q3  2C  2 .10 C, a  10 cm  0,1m Ta : V  4,7 .10 5  V  b Hiệu điện Hiệu điện hai điểm thường ký hiệu: U12  V1  V2  W1  W2 A12  q0 q0 (1. 36) BÀI 1: I TRƢỜ G TĨ H 31 Nếu biết điện trường