Bài 1 các khái niệm và định luật cơ bản về mạch điện

Trong một mạch điện nói chung và một đoạn mạch điện nói riêng, các thông số của mạch có quan hệ chặt chẽ với nhau theo những quy luật nhất định. Mối quan hệ giữa các thông số đó được biểu diễn bằng các phương trình toán học. Bằng thực nghiệm và tính toán, các nhà vật lý học đã tổng hợp thành các định luật cơ bản về mạch điện. Các khái niệm cơ bản và định luật về mạch điện là cơ sở để nghiên cứu sâu rộng hơn về mạch điện nói chung như những tác động và giá trị độ lớn của dòng điện

MỞ ĐẦU Trong mạch điện nói chung đoạn mạch điện nói riêng, thơng số mạch có quan hệ chặt chẽ với theo quy luật định Mối quan hệ thông số biểu diễn phương trình tốn học Bằng thực nghiệm tính tốn, nhà vật lý học tổng hợp thành định luật mạch điện Các khái niệm định luật mạch điện sở để nghiên cứu sâu rộng mạch điện nói chung tác động giá trị độ lớn dòng điện Đó sở để học viên tiếp cận nghiên cứu, tìm hiểu phân tích hệ thống điện máy bay I CÁC KHÁI NIỆM VỀ MẠCH ĐIỆN A CÁC PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Nguồn điện Nguồn điện thiết bị điện dùng để biến đổi dạng lượng khác (như nhiệt năng, năng, hoá ) thành lượng điện Nguồn điện chiều có hai cực tính cực dương cực âm Khi có dịng điện chạy mạch, điện áp nguồn có chiều ngược chiều suất điện động dòng điện qua nguồn Người ta phân nguồn điện làm loại: - Nguồn áp: Đặc trưng cho khả tạo nên trì điện áp hai cực nguồn (hình 1.1.a) - Nguồn dịng: Đặc trưng cho khả nguồn tạo nên trì dịng điện cung cấp cho tải (hình 1.1.b) I I UN a) b) EN Hình 1.1 Nguồn áp (a) nguồn dòng (b) Phụ tải Phụ tải thiết bị điện dùng để biến đổi lượng điện thành dạng lượng khác nhliệt năng, năng, quang năng, hố Các tải có giá trị điện trở tiêu thụ điện Khi có dịng điện chạy qua tải, có sụt áp Điện áp đặt vào phụ tải chiều với chiều dòng điện chạy qua I Rt I E P r Rt (hình 1.2) a) U b) Hình 1.2 Phụ tải mạch điện a) Tải b) Tải có sức phản điện động U Khi tải ắc quy chế độ nạp điện động điện làm việc điện áp chiều với dòng điện qua tải ngược chiều với suất điện động hình thành gọi sức phản điện động EP Dây dẫn điện Dây dẫn điện thiết bị điện dùng để truyền tải lượng điện từ nguồn đến tải nối phụ tải với Mỗi dây dẫn có điện trở xác định (R d) Khi có dịng điện chạy qua dây dẫn điện áp chiều với dịng điện chạy qua dây dẫn (hình 1.3) Id Rd Ud Hình 1.3 Dòng điện điện áp dây dẫn Các thiết bị phụ trợ khác - Thiết bị đóng cắt điện: Công tắc, cầu dao điện, áp tô mát… - Thiết bị bảo vệ: Cầu chì, áp tơ mát, rơ le - Thiết bị đo lường điện: Vôn kế, Ampe kế, Watt kế Các thiết bị phụ trợ thiết kế đa dạng, nhiều kiểu, nhiều loại để tiện sử dụng đáp ứng tiêu kỹ thuật đặt với mạch điện B DÒNG ĐIỆN Dịng điện dịng chuyển dời có hướng điện tích tác dụng lực điện trường (FE) Qui ước chiều dòng điện chiều chuyển dời điện tích dương Cường độ dịng điện Cường độ dòng điện đại lượng đặc trưng cho độ lớn dịng điện tính lượng điện tích chuyển qua thiết diện ngang vật dẫn đơn vị thời gian i= dq dt (A) Dòng điện chiều Dòng điện chiều dòng điện có chiều trị số khơng thay đổi theo thời gian (đặc tuyến có dạng hình 1.4.a) I= q t (A) Dòng điện xoay chiều Dòng điện xoay chiều dịng điện có chiều trị số thay đổi theo thời gian (đặc tuyến có dạng hình 1.4.b) i i a) Im I b) t T t -Im Hình 1.4 Dịng điện theo thời gian a) Dòng điện chiều b) Dòng điện xoay chiều Điều kiện để trì dịng điện Ta biết, đại lượng đặc trưng cho điện trường điểm xác định gọi điện Điểm điện trường có điện lớn cao Nếu hai đầu vật dẫn có hiệu điện lực điện trường sinh công để làm dịch chuyển điện tích tạo nên dịng điện xác định: A = Uq = Uit (J) Nếu hai đầu vật dẫn khơng có chênh lệch điện (tức U = 0) cơng lực điện trường: A = Uq = Do đó, khơng tạo nên dịng điện vật dẫn Như vậy, muốn trì dịng điện vật dẫn hai đầu vật dẫn phải trì hiệu điện khác “0” tức U > Sức điện động nguồn điện Nguồn điện thiết bị điện biến đổi dạng lượng năng, hoá năng, nhiệt năng, thành lượng điện Trong nguồn điện, tồn lực lạ F L có tác dụng làm cho điện tích dương (+q) dịch chuyển ngược hướng điện trường để từ cực âm qua nguồn cực dương nhằm trì điện áp hai cực Đại lượng đặc trưng cho khả sinh công nguồn điện sức điện động nguồn (V) Trong đó: Ang cơng lực lạ (J) q độ lớn lượng điện tích dương qua nguồn (C) II CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN A ĐỊNH LUẬT OHM Nhánh không chứa nguồn A R I B U * Biểu thức * Nội dung Trong mạch nhánh khơng chứa nguồn, cường độ dịng điện tỷ lệ với điện áp đặt vào hai đầu đoạn mạch tỷ lệ nghịch với giá trị điện trở đoạn mạch * Ví dụ 1: Một đoạn mạch có điện trở R = 54 , điện áp đặt vào hai đầu U = 27 V Tính giá trị dòng điện qua điện trở R? Giải: Áp dụng biểu thức: I= U 27 = =0,5( A ) R 54 Dịng điện qua điện trở R có giá trị 0,5 A * Ví dụ 2: Một bóng đèn điện có Rđ = 100  Muốn dịng điện qua đèn 100 mA điện áp cấp cho đèn phải bao nhiêu? Giải Áp dụng biểu thức: U = Rđ.I = 100.100.10-3 = 10 (V) Điện áp cấp cho đèn có trị số 10 V Nhánh chứa nguồn * Biểu thức: Trong đó, E chiều với U lấy +E, ngược chiều lấy -E I R E A I C B * Nội dung R E A B U U a ) b ) C Trong mạch nhánh chứa nguồn, cường độ dòng điện tỷ lệ với tổng đại số điện áp đặt vào hai đầu đoạn mạch sức điện động, tỷ lệ nghịch với giá trị điện trở có đoạn mạch  Trường hợp U chiều với E: I =I R = U R V B −V C (V B −V A )+( V A −V C ) U + E = = = R R R R  Trường hợp U ngược chiều với E, chứng minh tương tự * Khi tính tốn kết quả, dịng điện mang giá trị dương dịng điện chiều với chiều điện áp; ngược lại mang giá trị âm dịng điện ngược chiều với chiều điện áp đặt vào hai đầu nhánh Mạch điện kín I R V A E; rN * Biểu thức: * Nội dung Trong mạch điện kín, dịng điện tỷ lệ với suất điện động có mạch tỷ lệ nghịch với giá trị điện trở toàn mạch * Ví dụ: Một máy phát điện chiều có suất điện động E = 225 V, điện trở máy phát 0,5  Tải máy phát có điện trở R = 22  Tính giá trị dịng điện qua mạch, điện áp đặt vào tải tổn thất điện áp máy phát điện (bỏ qua điện trở dây nối) Giải - Dòng điện qua mạch: - Điện áp đặt vào tải: UR = I.R = 10.22 = 220 (V) - Tổn thất điện áp máy phát: Tóm lại, định luật Ohm nêu lên mối quan hệ dòng điện, điện áp và điện trở có mạch Cụ thể, ta tính tốn cường độ dòng điện, điện áp điện trở biết hai ba thơng số B ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF Các khái niệm Kết cấu hình học mạch điện gồm nhánh, nút, mạch vòng mắt F G H I1 I4 I5 R1 R4 R5 E1 r1 K I3 R3 A D I2 R2 E2 B C * Nhánh mạch điện Nhánh đoạn mạch có chung cường độ dịng điện I nằm hai nút Với mạch điện, số nhánh (m): m ≥ * Nút mạch điện Nút điểm gặp ba nhánh trở lên Với mạch điện, số nút (N): N ≥ * Mạch vòng mạch điện Mạch vòng tập hợp nhánh tạo thành mạch vịng kín Mạch vịng độc lập mạch vịng có nhánh khơng chung với mạch vịng khác * Mắt mạch điện Mắt mạch vòng mà không chứa nhánh Người ta chứng minh số mắt mạch điện (M): M = m – N + Định luật Kirchhoff I Giả sử nút (nút A) mạch điện có số dịng điện có chiều hướng tới nút A số dịng điện có chiều rời nút A Trong giây lượng điện tích di chuyển tới nút A phải lượng điện tích rời khỏi nút A Nếu giả thiết khơng thỏa mãn điện tích nút A thay đổi điều phá vỡ trạng thái cân mạch điện Tức nút A, ta có: I4 = I1 + I3 Hay viết: I4 – I1 – I3 = * Nội dung Tổng đại số dòng điện nút khơng Với qui ước: Dịng điện hướng tới nút mang dấu dương; dịng điện rời nút mang dấu âm * Biểu thức * Ý nghĩa Nói lên tính bảo tồn điện tích nút hay tính liên tục dịng điện * Ví dụ: Với mạch điện hình, theo định luật Kirchhoff I có: Tại A: I4 – I1 – I3 = Tại B: I3 + I – I2 = Tại G: I1 + I – I4 – I5 = Định luật Kirchhoff II - Xét mạch vòng AKHGA mạch điện: + Nhánh AG: + Nhánh AKHG: U GA =ϕ G−ϕ A =I R U AG =ϕ A −ϕG =I R1 + I r −E1 (1) (2) Cộng vế với vế biểu thức (1) (2), ta có: I1R1 + I1r1 + I4R4 – E1 = ⇒ G H I1 I1R1 + I1r1 + I4R4 = E1 - Xét tương tự với mạch vòng khác mạch điện phương trình mạch vịng tương ứng biểu diễn quan hệ sức điện động (Ek) với dòng điện nhánh (Ik) điện trở (Rk) mạch vòng I4 I R1 K R4 F II I5 D I2 R5 III R2 I3 R3 E1 r1 A B E2 C * Nội dung Trong mạch vòng khép kín theo chiều chọn, tổng đại số tích dòng điện với điện trở (kể điện trở nguồn) tổng đại số sức điện động có mạch vịng Với qui ước: Dịng điện sức điện động chiều với chiều mạch vịng mang dấu dương; ngược lại mang dấu âm * Biểu thức ∑ I k R k + ∑ I k rk = ∑ E k m vg m vg m vg Trong đó: Ik, Rk cường độ dòng điện giá trị điện trở nhánh thứ k Ek, rk giá trị sức điện động nội trở nguồn thứ k * Ý nghĩa Nói lên tính bảo tồn điện hay tính liên tục điện áp * Ví dụ 1: Lần lượt với mạch vòng chọn mạch điện trên: Theo định luật Kirchhoff II có: I1 (R1 + r1) + I4R4 = E1 (1) I4R4 + I3R3 – I5R5 = (2) I2R2 + I5R5 = E2 (3) Từ phương trình (1), ta viết: U1 + U1 + ⇒ Δ Δ U1 + U4 = UN U1 + U4 - UN = Tổng quát có: ∑ U k =0 m vg (*) Từ biểu thức (*), ta phát biểu định luật Kirchhoff II theo cách 2: “Theo mạch vịng khép kín, tổng đại số sụt áp 0.” Với qui ước: Sụt áp chiều với chiều mạch vịng mang dấu dương; ngược lại mang dấu âm * Sụt áp nguồn điện có sức điện động E N có chiều ngược với chiều sức điện động EN Nghĩa là, EN chiều mạch vịng U N hai cực nguồn có trị số UN = – EN C ĐỊNH LUẬT JOULE–LENZ Khi dịng điện chạy qua vật dẫn, điện tích va chạm với phân tử làm cho mạng tinh thể vật dẫn dao động phát nhiệt Hai nhà bác học Joule Lenz phát tổng hợp thành định luật mang tên ông Nội dung Nhiệt lượng tỏa vật dẫn có dịng điện tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở vật dẫn thời gian dòng điện chạy qua Biểu thức Q = I2Rt = UIt (J) Ứng dụng - Tính tốn bảo vệ tải nhiệt dây dẫn điện cách điện - Nghiên cứu, chế tạo thiết bị sinh nhiệt dòng điện bếp điện, lò sấy điện, mỏ hàn điện - Để kiểm tra định luật bảo toàn lượng mạch điện, * Ví dụ 1: Tính nhiệt lượng tỏa dây dẫn điện có chiều dài l = 500 m, tiết diện ngang S = 25 mm , qua thời gian 10 ρCu =0 , 0175 10−6 Ω m có dịng điện I = 80 A Giải Đổi 10 thành 36.103 giây Điện trở dây là: Nhiệt lượng tỏa là: Q = I2Rt = 802.0,35.36.103 = 80640 (KJ) D CÔNG SUẤT VÀ CÂN BẰNG CƠNG SUẤT Cơng suất Trong mạch điện có loại cơng suất: * Cơng suất phát Mỗi nguồn có sức điện đợng E Khi dòng điện qua nguồn thời gian t cơng nguồn sinh là: AN = Eit (J) Công nguồn sinh đơn vị thời gian gọi công suất phát nguồn Khi tính tốn cần ý: - Nếu E, I chiều nguồn điện gọi là ng̀n phát - Nếu E, I ngược chiều thì nguồn điện gọi là nguồn thu * Công suất thu Công suất thu loại công suất mà thiết bị tiêu thụ lượng điện để biến thành dạng lượng khác Mỗi thiết bị điện có giá trị điện trở (R) xác định Khi có dịng điện chạy qua thời gian t, tỏa lượng: Q = I2Rt (J) Năng lượng cơng dịng điện sinh để làm nóng vật dẫn: A = Q = I2Rt (J) Cơng dịng điện sinh thiết bị điện đơn vị thời gian gọi công suất thu Với thiết bị tiêu thụ điện U I ln chiều nên Pt > * Công suất tổn hao Công suất tổn hao loại công suất tiêu tán cách vơ ích có hại với đường dây tải điện hay với phần ứng máy điện - Mỗi dây dẫn có điện trở Rd Khi có dòng điện I chạy qua thời gian t có tiêu tán lượng dạng nhiệt năng: Q = I2 Rdt (J) Do đó, tiêu tán công suất điện: Pd = I2Rd (W) Cân cơng suất Theo định luật bảo tồn lượng, mạch điện tổng công suất nguồn điện phát tổng công suất tiêu thụ tải công suất tổn hao 10 ∑ P p=∑ Pt + ΔP Hiệu suất * Hiệu suất nguồn Tỷ số công suất thu công suất phát nguồn điện tính theo phần trăm gọi hiệu suất nguồn * Hiệu suất mạch Tỷ số tổng công suất thu thiết bị tiêu thụ điện tổng công suất phát nguồn điện mạch tính theo phần trăm gọi hiệu suất mạch 11