Giáo trình Mạch điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ: Cao đẳng) - Trường CĐ Cơ điện-Xây dựng và Nông lâm Trung bộ

Trang 1

GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN

NGHỀ : ĐIỆN CƠNG NGHIỆP

TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG

Trang 3

khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

Bản quyền thuộc về Khoa Điện –điện tử trường Cao đẳng CĐ- XD- & NLTB

Mọi chi tiết xin liên hệ về khoa Điện- điện tử ĐT:

Trang 4

- Phân tích được nhiệm vụ, vai trị của các phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt

- Giải thích được cách xây dựng mơ hình mạch điện, các phần tử chính trong mạch điện

- Phân tích và giải thích được các khái niệm cơ bản trong mạch điện, hiểu và vận dụng được các biểu thức tính tốn cơ bản

1 Mạch điện và mơ hình mạch điện 1.1 Mạch điện

Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn (phần tử dẫn) tạo thành những vịng kín trong đó dịng điện có thể chạy qua Mạch điện thường gồm các loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), thiết bị phụ trợ

a) Nguồn điện

- Nơi sản sinh ra năng lượng điện để cung cấp cho mạch

- Nguồn điện có thể là nguồn một chiều hoặc xoay chiều + Nguồn một chiều: Pin, acquy, máy phát điện một chiều,

+ Nguồn xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều,…

Nguồn điện Thiết bị phụ trợ Phụ tải

Trang 5

máy phát) và hiệu điện thế lối ra u

b) 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 R hoặc bằng trở kháng Z

c) Dây dẫn

Trang 6

d) Các thiết bị phụ trợ:

Như các thiết bị đóng cắt (cầu dao, cơng tắc ), các máy đo (ampekế, vơn kế, óat kế …), các thiết bị bảo vệ (cầu chì, aptơmát )

1.2 Các hiện tượng điện từ

1.2.1 Hiện tượng biến đổi năng lượng

a Hiện tượng biến đổi điện năng thành nhiệt năng

Dòng điện tích chuyển động có hướng trong vật dẫn làm va chạm với các phần tử vật dẫn, truyền bớt năng lượng cho các phần tử, làm tăng mức chuyển động nhiệt trong vật dẫn Như vậy dòng điện qua vật dẫn sẽ làm nóng vật dẫn, tức điện năng đã chuyển hoá thành nhiệt

Gọi điện trở của vật dẫn là r, cơng của dịng điện là: A = I2.r.t, biết đương lượng nhiệt của mỗi công là 0,24 calo với mỗi Jun, nên nhiệt lượng do cơng chuyển hố là:

Q = 0,24A = 0,24.I2.r.t (Calo) (1.1)

Định luật này do hai nhà Bác học là Jun (người Anh) và Lenxơ (người Nga) tìm ra bằng thực nghiệm nên người ta gọi là định luật Jun - Lenxơ

Phát biểu định luật: Nhiệt lượng do dòng điện toả ra trên một điện trở tỷ lệ

Trang 7

r

điện từ tác dụng lên dây dẫn là: F = B.l.I

NSBIF+-EFrF IAB

Hình 1.4: Sự xuất hiện sức phản điện

Chiều của F xác định theo qui tắc bàn tay trái

Giả sử dưới tác dụng của lực F, dây dẫn chuyển động với tốc độ v theo chiều

của lực từ Phương này cắt vng góc với đường sức, nên trong dây dẫn sẽ xuất hiện s.đ.đ cảm ứng có trị số là:

E = B.l.v

Chiều s.đ.đ E xác định theo qui tắc bàn tay phải Ta thấy E có chiều ngược với dịng điện (và do đó ngược chiều so với s.đ.đ EF của nguồn) gọi là s.đ.đ phản Gọi điện trở của dây dẫn là ro, áp dụng định luật kiêc khốp cho mạch vịng ta có:

Trang 8

Như vậy : dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều đã nhận một công suất điện của nguồn biến thành công suất cơ Đó là cơ sở nguyên lí làm việc của động cơ điện

1.2.2 Hiện tượng tích phóng năng lượng

a Qúa trình nạp điện

Đóng mạch điện gồm điện dung C chưa tích điện mắc nối tiếp với điện trở r vào nguồn điện áp một chiều Tụ điện bắt đầu nạp điện, điện tích ở hai cực tăng từ giá trị không trở lên Giả sử trong thời gian vô cùng nhỏ dt, điện tích tăng được một lượng là dq, thì dịng điện qua mạch có trị số là:

idq

dt

 (1.5)

Điện tích nạp vào tụ, nên ở hai bản cực của tụ có trị số điện áp là UC = q

C Từ đó ta có:

q = C.UC (1.6)

Thay vào biểu thức dòng điện ta có:

dUC

iCdt

 (1.7)

Nghĩa là: dịng điện nạp của tụ tỉ lệ với tốc độ biến thiên điện áp trên tụ Áp dụng định luật kiêc khốp cho mạch vịng kín ta có:

U = i.r + UC (1.8)

Trang 9

0, UC = 0, (U - UC) = U, nên tốc độ tăng điện áp UC là lớn nhất Dịng điện nạp có trị số lớn nhất Khi UC đã tăng lên hiệu U - UC giảm nên tốc độ tăng điện áp UC

giảm dần

Như vậy: Trong quá trình tụ điện nạp điện, dịng điện nạp giảm dần từ cực đại về khơng, cịn điện áp tăng từ khơng tới giá trị ổn định là U

rUBCi+- D

Hình 1.5: Đóng tụ điện vào điện áp một chiều

Biểu thức điện áp có dạng:

(1)

t

C

U U e (1.10)

Điện áp trên điện trở:

Trang 10

rUBC- D+-iHình 1.6: Q trình phóng điện

Giả sử tong thời gian dt, điện tích trên cực tụ giảm một lượng dq, dịng điện phóng sẽ là:

idq

dt

  (1.13)

Dấu âm ở đây biểu thị cho điện tích giảm trong q trình phóng Biết q = C.UC

là điện áp trên hai cực ở thời điểm xét

Từ đó: dUC

iCdt

  (1.14)

Như vậy : dịng diện phóng điện của tụ điện tỉ lệ với tốc độ biến thiên của điện áp trên tụ, nhưng trái dấu So sánh với (1.7) ta thấy dịng điện phóng ngược chiều với dịng điện nạp

Trang 11

giảm sẽ chậm lại, trị số dịng điện phóng cũng giảm theo Khi tụ điện phóng điện, điện áp trên tụ cũng như dịng điện phóng cũng giảm dần từ trị số lớn nhất về trị số khơng

1.3 Mơ hình mạch điện

- Khi tính tốn người ta thường thay mạch thực bằng mơ hình mạch điện - u cầu về mơ hình mạch điện : mơ hình mạch điện phải đảm bảo kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như mạch điện thực

- Một mạch thực có thể có nhiều mơ hình mạch điện, điều đó là tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu và điều kiện làm việc của mạch điện

- Các phần chính của mơ hình mạch điện: + Nguồn điện áp u(t) ;

+ Nguồn dòng j(t) ; + Điện trở R ; + Điện cảm L ; + Điện dung C

a Phần tử điện trở

Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng v…v

Trang 12

Hình 1.7: Phần tử điện trở R

- Ngồi ra cịn dung khái niệm điện dẫn

R

g  1 Đơn vị của điện dẫn là S (Simen)

- Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t là:

  tpdttRidtRitA0220 (1.16)

- Đơn vị của điện năng là Wh (oát giờ), hay bội số là kWh

b Phần tử điện cảm

- Khi có dịng điện i chạy qua cuộn dây có w vịng sẽ sinh ra từ thơng móc vịng qua cuộn dây:



 w

- Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa

iwiL   

(1.18)

- Đơn vị của điện cảm là H (Henri)

- Nếu có dịng điện i biến thiên thì từ thông cũng biến thiên và theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm:

dtdiLdtdeL    (1.19)

Điện áp rơi trên cuộn dây:

dtdiLe

Trang 13

200LiLididtPWM  L   (1.22)

- Như vậy điện cảm L đặc chưng cho hiện tượng tích lũy lăng lượng từ trường của cuộn dây

- Kí hiệu L

Hình 1.8: Phần tử điện cảm L

c Phần tử điện dung

- Khi đặt điện áp của uc lên tụ điện có điện dung C thì tụ sẽ được nạp điện với điện tích q:

c

Cu

q (1.23)

- Nếu uc biến thiên sẽ có dịng điện dịch chuyển qua tụ điện

dtduCdtdqi c (1.24) - Từ đó suy ra  tcidtCu01

- Công suất trên tụ điện

dtduCuiupcccc 

- Năng lượng tích lũy trong tụ điện t  

Trang 14

d Phần tử nguồn

* Nguồn điện áp u(t)

- Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn Chiều điện áp được quy định từ điểm có hiệu điện thế cao xuống điểm có hiệu điện thế thấp Chiều sức điện động được quy định từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao

- Quan hệ giữa sức điện động và hai đầu cực u(t)= e(t)

* Nguồn dòng điện j(t)

Nguồn dòng đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy chì một dịng điện cung cấp cho mạch ngồi

eu(t)

Hình 1.10: Nguồn điện áp u(t)

uC

Trang 15

2 Các khái niệm cơ bản trong mạch điện 2.1 Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện

Khi 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 thế thấp hơn,

cịn các điện tích âm (các điện tử) sẽ di chuyển ngược lại từ nơi có điện thế thấp

đến nơi có cao hơn và tạo thành dịng điện

Vậy: Dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hướng dưới tác dụng của lực điện trường

* Chiều quy ước của dòng điện:

Người ta quy ước chiều dòng điện là chiều di chuyển của các điện tích dương tức là hướng nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn, và đó cũng là chiều của điện trường

+ Trong kim loại : Dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hướng Vì

điện tử di chuyển từ nơi có điện thế thấp hơn đến nơi có điện thế cao hơn nên dòng điện tử ngược với chiều quy ước của dòng điện

+ Trong dung dịch điện ly : Dòng điện là dòng các ion chuyển dời có

Trang 16

2.2 Cường độ dòng điện

Đại lương đặc trưng cho độ lớn của dòng điện được gọi là Cường độ dịng

điện (đơi khi ta gọi tắt là dịng điện), ký hiệu là I (hoặc i)

Cường độ dịng điện là lượng điện điện tích qua tiết điện thẳng của dây dẫn trong một đơn vị thời gian

Ta có: I =

tQ

Ở đây Q là điện tích qua tiết diện dây dẫn trong thời gian t Nếu điện tích

chuyển qua dây dẫn khơng đều theo thời gian sẽ tạo ra dịng điện có cường độ thay đổi (ký hiệu là i) Giả sử trong thời gian rất nhỏ dt có lượng điện tích dQ qua tiết diện dây thì cường độ dịng điện sẽ là:

i =

dtdQ

Trong hệ SI đơn vị của điện tích là Culơng, của thời gian là giây thì đơn vị của cường độ dịng điện là Ampe (ký hiệu A)

Ampe là cường độ của dòng điện cứ mỗi giây có một culơng qua tiết diện

dây dẫn 1A = sC11 2.3 Mật độ dòng điện

Trang 17

dẫn có tiết diện nhỏ thì mật độ dịng điện sẽ lớn và ngược lại

3 Các phép biến đổi tương đương 3.1 Nguồn áp ghép nối tiếp

Đấu nối tiếp là đấu cực âm phần tử thứ nhất với cực dương phần tử thứ hai, cực âm phần tử thứ hai với cực dương của phần tử thứ ba, … Cực dương của phần tử thứ nhất và cực âm của phần tử cuối cùng là hai cực của bộ nguồn điện áp Gọi suất điện động của mỗi phần tử là Eo, thì sức điện động của cả bộ nguồn sẽ là:

E = n.Eo (1.26)

Từ đó, nếu đã biết điện áp yêu cầu của phụ tải là U, ta xác định được số phần tử nối tiếp là: oUnE

Kí hiệu điện trở trong mỗi phần tử là rft, điện trở của bộ nguồn là ro thì ro

chính là điện trở tương đương của n điện trở nối tiếp: ro = n.rft

J

+

Trang 18

âm với nhau, tạo thành hai cực của bộ nguồn Suất điện động của cả bộ nguồn là sức điện động của mỗi phần tử

E = Eo

Điện trở trong của bộ nguồn là điện trở tương đương của m điện trở song song ftorrm

Dòng điện tương đương của bộ nguồn là tổng dòng điện qua mỗi phần tử nguồn dòng điện:

I = m.Ift

Từ đó, nếu đã biết dịng điện u cầu của tải I, ta tính được số nguồn dịng điện cần thiết để mắc song song tạo thành bộ nguồn dòng điện là:

ftcf

Im

I



Trong đó Iftcf là dịng điện lớn nhất cho phép của mỗi phần tử Dung lượng của cả bộ bằng tổng dung lượng của các phần tử:

Trang 19

Hình 1.13: Nguồn dịng điện ghép song song

3.3 Điện trở ghép nối tiếp, song song

a Biến đổi tương đương các điện trở mắc nối tiếp

Điện trở tương đương Rtđ của các điện trở R1, R2, … Rn mắc nối tiếplà:

Rtđ = R1 + R2 + … + Rn (1.27)

Ví dụ

Cần ít nhất mấy bóng đ n 24V, 12W đấu nối tiếp để đặt vào điện áp U = 120V?

-

E E E E

- - - -

R1 R2 Rn-1 Rn

Hình 1.14: Điện trở tương đương của mạch nối tiếp

Trang 20

Vì các bóng đ n giống nhau nên khi đấu nối tiếp thì điện áp đặt vào các bóng là như nhau Vậy số bóng cần đấu là:

N ≥ 

24

110 5, ta lấy n = 5 bóng Điện trở của mỗi bóng:

48122422đmđmPUr

Điện trở tương đương của toàn mạch là: rtđ = n.r = 5.48 = 240 Dòng điện trong mạch là: I = ArU5,0240120

b.Biến đổi tương đương các điện trở mắc song song

Điện trở tương đương Rtđ của mạch song song được tính theo cơng thức sau:

R1 R2 Rn Rtđ

Trang 21

Ví dụ:

Ba bóng đ n có điện trở r1 = 60, r2 = 120, r3 = 150 đấu song song, đặt vào điện áp U = 120V Tính điện trở tương đương, dịng điện qua mỗi bóng và dịng điện mạch chính

Giải:

Điện dẫn tương đương của ba bóng được xác định như sau: g = g1 + g2 + g3 = S6001915011201601

Điện trở tương đương của ba bóng đ n là: R = 31,6

196001

g

Dòng điện trong mỗi nhánh: I1 = U.g1 = 120 2A601I2 = U.g2 = 120 1A1201I3 = U.g3 = 120 0,8A1501

Trang 22

Hình 1.16: Mạch điện ví dụ 2

Trước tiên ta tính điện trở tương đương R23 của 2 điện trở R2 và R3 nối song

song: R23 = 182 1,82.18.3232RRRR

Sau khi tính được R23 ta có mạch điện đơn giản gồm các điện trở R1, R23, R4

mắc nối tiếp nhau, có điện trở tương đương của tồn mạch là: R = R1 + R23 + R4 = 2,2 + 1,8 + 6 = 10 Dòng điện trong mạch là: I = ARE1110110 3.4 Biến đổi  - Y và Y - 

a Biến đổi sao (Y) thành tam giác ()

Giả thiết có 3 điện trở R1, R2, R3, nối với nhau theo hình sao (Y) Biến đổi các điện trở đấu sao trên thành các điện trở đấu với nhau theo hình tam giác theo các công thức sau:

6 4

Trang 23

231312121223233131312 ; R R ; R RR RRRRRRRRRRRRR   (1.30)

Khi hình sao đối sứng: R1 = R2 = R3 = R ta có: R12 = R23 = R31

b Biến đổi tam giác () thành sao (Y)

Giả thiết có 3 điện trở R12, R23, R31, nối với nhau theo hình tam giác () Biến đổi các điện trở đấu tam giác trên thành các điện trở đấu với nhau theo hình sao theo các cơng thức sau:

123123123123123122331122331122331 ;;R RR RR RRRRRRRRRRRRR (1.31)

Khi tam giác đối xứng: R12 = R23 = R31 = R Thì: R1 = R2 = R3 = R/3

3.5 Biến đổi tương tương giữa nguồn áp và nguồn dịng

Khi tính tốn mạch điện, các nguồn điện thực được thay thế bởi các sơ đồ

R31

Hình 1.18 : Mạch biến đổi tam giác thành sao

R12 R23 13 2 R1 R2 R3 2 1 3

Trang 24

đến cực dương của nguồn Hai cực 1 và 2 là hai cực nguồn thực Giả sử điện trở mạch ngồi là r, dịng điện qua mạch là:

oEIrr (1.32)

Điện áp trên hai nguồn thực là:

U – U12 = E – I.ro (1.33)

Nếu điện trở trong ro không đáng kể so với điện trở tải r, thì I.ro<< E, do đó có thể bỏ qua i.ro Lúc đó, điện áp rơi trên hai cực nguồn:

U = E

Trong trường hợp này, sơ đồ tương đương có dạng hình 1.19b

Hình 1.19 Sơ đồ tương đương nguồn áp

Để có sơ đồ tương đương nguồn dòng, ta thực hiện biến đổi như sau:

Trang 25

Biết N

o

EI

r  là dòng điện ngắn mạch của nguồn thực ; đặt o

o

UI

r  ta có: IN = Io + I

Từ phương trình trên ta vẽ sơ đồ nguồn dịng tương đương như hình sau:

Hình 1.20: Sơ đồ tương đương nguồn dòng

Nguồn điện thực là E và ro được thay thế tương đương bởi hai phần tử: - Phần tử chủ động là nguồn dịng điện NoEIr có nội trở vơ cùng lớn, cùng chiều với s.đ.đ E

- Phần tử thụ động ro mắc song song với nguồn dòng

Về ý nghĩa vật lý, nguồn dịng điện coi như ln ln duy trì một dịng điện IN khơng đổi, để cung cấp cho tải dòng điện I và một phần khép mạch qua nội trở

Trang 26

.NNooIIIrrgg   Khi mạch ngoài để hở, r = Q, g = 0, I = 0, ta có: 0ooNNogIIIgKhi mạch ngồi bị ngắn mạch thì r = 0, ta có: 00;0ooNnNoorIIIIIgrr

Nếu điện trở ro lớn hơn nhiều sơ với điện trở tải ro >> r, thì Io << IN, từ đó I 

IN và ro có thể bỏ qua, ta có sơ đồ thay thế đơn giản là hình 1.20b

Trang 27

mộ chiều (dòng điện, điện áp, cơng suất, điện năng, nhiệt lượng )

- Tính tốn các thơng số (điện trở, dịng điện, điện áp, công suất, điện năng, nhiệt lượng) của mạch một chiều một nguồn, nhiều nguồn từ đơn giản đến phức tạp

- Phân tích sơ đồ và chọn phương pháp giải mạch hợp lý - Lắp ráp, đo đạc các thông số của mạch DC theo yêu cầu

1 Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch điện một chiều 2.1.1 Công suất và điện năng trong mạch một chiều

a Cơng của dịng điện

Cơng của dịng điện là cơng của lực điện chuyển dịch các điện tích trong mạch điện Giả sử trên một đoạn mạch có điện áp là U, dòng điện là I, trong thời gian t lượng điện tích chuyển qua đoạn mạch là:

q = I.t

Từ định nghĩa về điện áp ta thấy cơng của lực bằng tích của điện tích di chuyển qua đoạn mạch

A = q.U = U.I.t (2.6)

Trong đo lường ta thường dùng đon vị của công là Jun ký hiệu là J

Vây: Cơng của dịng điện sản ra trên một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp hai đầu đoạn

mạch, dòng điện qua mạch và thời gian duy trì dịng điện

b Cơng suất của dịng điện

Cơng suất là cơng trên một đơn vị thời gian

.

Trang 28

A = P.t (2.8) Từ đây ta thấy đơn vị của cơng cịn được tính theo đơn vị là: Oát - giờ (Wh)

c Công suất của nguồn điện

Công của nguồn điện là số đo năng lượng chuyển hóa các dạng năng lượng khác thành điện năng, và được tính theo cơng thức:

Ang = E.q = E.I.t (2.9)

Trong đó: E là cơng suất của nguồn

Cơng suất của nguồn được tính theo cơng thức sau: Pt = Ang

t = E.I (2.10)

Vậy: công suất của nguồn điện bằng tích số giữa sức điện động nguồn và dòng

điện qua nguồn

Ví dụ: Một bóng đ n ghi 220 V, 100W

1) Gải thích ký hiệu đó

2) Tính điện trở bóng đ n (ở trạng thái làm việc)

3) Nếu bóng đ n đó đặt vào điện áp U’= 110V thì cơng suất tiêu thụ của bóng đ n

là bao nhiêu? giả thiết khi đó điện trở của bóng đ n là khơng đổi?

Giải

1) Bóng đ n ghi 220V, 100W nghĩa là điện áp làm việc ứng với 220V thì đ n làm việc bình thường, đảm bảo các tính năng kỹ thuật theo quy định của nhà chế tạo và khi đó cơng suất tiêu thụ là 100W

220V gọi là điện áp định mức của bóng đ n, kí hiệu Uđm

Trang 29

Pđm thì khi đó ta có: Pđm = rUđm2 và P’ = rU'2 ta rút ra 222''kUUPPđmđm

Với khi ta giả thiết là r không đổi

Vậy công suất tiêu thụ của đ n ứng với điện áp U’ = 110V là P’ = Pđm.k2 = 100.(

220110

)2 = 25W

2.1.2 Định luật Joule -Lenz a Định luật Jun – Lenxơ

Dòng điện tích chuyển động có hướng trong vật dẫn làm va chạm với các phần tử vật dẫn, truyền bớt năng lượng cho các phần tử, làm tăng mức chuyển động nhiệt trong vật dẫn Như vậy dòng điện qua vật dẫn sẽ làm nóng vật dẫn, tức điện năng đã chuyển hoá thành nhiệt

Gọi điện trở của vật dẫn là r, cơng của dịng điện là: A = I2.r.t, biết đương lượng

nhiệt của mỗi công là 0,24 Calo với mỗi Jun, nên nhiệt lượng do công chuyển hoá là:

Q = 0,24A = 0,24.I2.r.t (Calo) (2.11)

Định luật này do hai nhà Bác học là Jun (người Anh) và Lenxơ (người Nga) tìm ra bằng thực nghiệm nên người ta gọi là định luật Jun - Lenxơ

Phát biểu định luật: Nhiệt lượng do dòng điện toả ra trên một điện trở tỷ lệ với

bình phương dịng điện, với trị số điện trở và thời gian dòng điện chạy qua

Nếu thay I = U2

Trang 30

2

0, 24.U ()

Qt calor

 (2.12)

b Ứng dụng của định luật Jun – Lenxơ

Tác dụng nhiệt của dòng điện được ứng dụng rất rộng rãi để làm các dụng cụ đốt nóng bằng dịng điện như đ n điện có sợi nung, bếp điện, bàn là điện, lị sấy và lị luyện bằng điện tử,… Ngun tắc có bản của các dụng cụ này là dùng một phần tử đốt nóng để cho dịng điện chạy qua Nhiệt toả ra ở các phần tử đốt nóng sẽ gia nhiệt các bộ phận chính của dụng cụ, hoặc sẽ phát sáng ở các đ n sợi nung

Dòng điện đi qua dây dẫn sẽ toả nhiệt theo định luật Jun - Lenxơ Nhiệt lượng này sẽ đốt nóng dây dẫn, khi dây dẫn nóng lên nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ bên ngịai mơi trường Dây càng nóng thì nhiệt độ toả ra ngồi mơi trường càng lớn Đến một lúc nào đó nhiệt lượng toả ra mơi trường trong một giây bằng nhiệt lượng sinh ra của dịng điện thì nhiệt độ dây dẫn khơng tăng nữa, ta gọi là nhiệt độ ổn định hay nhiệt độ làm việc của dây dẫn

 Hiện tượng ngắn mạch và cầu chì bảo vệ:

- Ngắn mạch là hiện tượng nối tắt hai điểm của mạch có điện thế khác nhau bằng một vật dẫn có điện trở khơng đáng kể Khi đó dịng điện qua điểm ngắn mạch rất lớn, có thể làm nóng quá mức dây dẫn, vượt quá nhiệt độ cho phép của dây dẫn, dẫn đến việc cháy hỏng thiết bị

- Để tránh khi có dịng điện vượt quá dòng điện cho phép như khi ngắn mạch người ta phải dùng các thiết bị bảo vệ Thiết bị bảo vệ đơn giản nhất và rất phổ biến là

cầu chì, cầu chì đặt nối tiếp trong mạch điện cần bảo vệ Bộ phận chính của cầu chì là dây

chảy làm bằng các chất dễ chảy đứt như chì, kẽm nhơm đồng Khi dịng điện chạy qua mạch tăng cao nhiệt lượng toả ra ở dây chảy đủ làm chảy đứt nó là cho mạch bị ngắt

Trang 31

Khi dòng điện qua dung dịch muối ăn, anion Cl

đi về cực dương (anot), cịn cation

Na+ đi về phía cực âm (catot) Tại cực dương, Cl- nhường bớt điện tử cho điện cực (vì cực

dương ln thiếu điện tử) trở thành nguyên tử trung hòa

Ở cực âm, cation Na+

thu thêm điện tử ở điện cực (vì ở cực âm luôn thừa điện tử) trở thành nguyên tử Na giải phóng ở cực âm

Kết quả là phân tử muối ăn bị dịng điện phân tích thành Clo ở cực dương và Natri ở cực âm Nếu dung dịch điện phân là một muối của đồng thì ở cực âm ta sẽ thu được kim loại đồng Như vậy, khi dòng điện qua chất điện phân, sẽ xảy ra hiện tượng phân tích chất điện phân, giải phóng kim loại hoặc hydro ở cực âm Đó là hiện tượng điện phân

Dòng điện qua dung dịch càng lớn và càng lâu thì lượng kim loại giải phóng ở cực âm càng lớn Như vậy giữa điện tích qua dung dịch điện phân và lượng chất được giải phóng, có mối quan hệ tỷ lệ Quan hệ này đã được Faraday thiết lập từ thực nghiệm vào cuối năm 1834

b Định luật Faraday

* Định luật Farday thứ nhất: Khối lượng của chất thoát ra ở mỗi cực điện tỷ lệ với

điện tích đã chuyển qua chất điện phân:

M = k.q = k.I.t (2.13)

Ở đây, m là khối lượng chất thoát ra ở điện cực ; Q = I.t là điện tích qua dung dịch (Culơng) ;

k : Là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng

Nếu q = 1Culơng thì k = m Vậy đương lượng điện hóa của một chất là khối lượng chất đó thốt ra ở điện cực khi có 1 Culơng qua dung dịch

* Định luật Faraday thứ hai: Đương lượng điện hóa của một nguyên tố tỷ lệ với

nguyên tử lượng và tỷ lệ nghịch với hóa trị của nguyên tố ấy

kC.A

n

Trang 32

n là hóa trị của nguyên tố ;

C là hệ số tỷ lệ, bằng 1

96500g/c

c Ứng dụng của hiện tượng điện phân

* Luyện kim:

Trong luyện kim, hiện tượng điện phân được ứng dụng để tinh chế và điều chế một số kim loại

Muốn tinh chế kim loại, người ta ứng dụng hiện tượng cực dương ta Chẳng hạn, để tinh chế đồng, người ta dùng thanh đồng cần tinh chế làm điện cực dương, dung dịch điện phân là muối đồng tan Khi dòng điện qua dung dịch, thanh đồng bị hịa tan dần, và ở điện cực sẽ hình thành một lớp đồng tinh khiết

Để điều chế kim loại (luyện kim) bằng dòng điện, người ta tiến hành điện phân quạng kim loại nóng chảy hoặc các dung dịch muối của chúng Chẳng hạn, để luyện

nhôm, người ta điện phân quạng bâu xít (nhơm ơ xít Al2O3) nóng chảy trong criolit, để

luyện natri người ta điện phân muối ăn (NaCl) nóng chảy

* Mạ điện:

Mạ điện là phương pháp dùng dòng điện để phủ lên các đồ vật một lớp kim loại không gỉ như bạc, vàng,

Muốn mạ một vật nào đó, cần làm sạch bề mặt cần mạ, rồi nhúng vào bình điện phân làm thành cực âm Cực dương là thỏi kim loại của lớp mạ (như bạc, vàng, ) Dung dịch điện phân là một muối tan của kim loại mạ Khi dòng điện qua dung dịch, một lớp kim loại mạ sẽ phủ kín bề mặt vật cần mạ, còn cực dương bị mòn dần Tùy theo cường độ và thời gian dòng điện qua mà ta có lớp kim loại phủ mỏng hay dầy

Trang 33

Mỗi kim loại đều có mật độ điện tử tự do (tức là số điện tử tự do trong một đơn vị thể tích) nhất định Mật độ này ở các kim loại khác nhau sẽ khác nhau Khi cho hai kim

loại khác nhau tiếp xúc là K1 và K2 thì có sự khuếch tán điện tử qua chỗ tiếp xúc

Giả sử kim loại K1 có mật độ điện tử tự do lớn hơn K2 Khi đó, điện tử tự từ K1 sẽ

khuếch tán sang K2 kết quả là K1 sẽ tích điện dương (vì thiếu điện tử), K2 sẽ tích điện âm

(vì thừa điện tử), và hình thành nên một điện trường tại mặt tiếp xúc, có một hiệu điện thế

Utx gọi là hiệu điện thế tiếp xúc

Hình 2.1 Sự khuếch tán của điện tử qua chỗ tiếp xúc (a) Sự hình thành hiệu điện thế tiếp xúc và s.đ.đ nhiệt điện (b)

Hiệu điện thế tiếp xúc phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Bản chất kim loại tiếp xúc K1, K2 Kim loại khác nhau thì mật độ điện tử khác

nhau, và do đó mức độ khuếch tán điện tử qua lớp tiếp xúc cũng khác nhau

- Nhiệt độ chỗ tiếp xúc Khi nhiệt độ tăng thì mức độ khuếch tán cũng tăng lên Bằng thực nghiệm người ta thấy trong khoảng nhiệt độ không lớn lắm, hiệu điện thế tiếp xúc tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc:

Utx = C.T

Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc, o

K:

T(oK)  273 + (oC) (2.15)

C là hệ số nhiệt điện, phụ thuộc vào kim loại tiếp xúc, chẳng hạn:

Trang 34

Tiếp xúc Platin- Platinpharod, C = 6,4V/độ

Để lấy được hiệu điện thế tiếp xúc, ta phải nối kín mạch cả hai dầu và hình thành 2

mối nối tiếp xúc A, B Gọi nhiệt độ mối A là T1, mối B là T2 thì hiệu điện thế tiếp xúc ở

các mối là:

Utx1 = CT1 = C.(273+1)

Utx2 = CT2 = C(273+2)

Trong mạch kín sẽ có một s.đ.đ gọi là s.đ.đ nhiệt điện E bằng hiệu của hai điện thế tiếp xúc:

E = Utx1 – Utx2 = C(T1 – T2) = C.(1 - 2) (2.16)

S.đ.đ nhiệt điện tỷ lệ với độ chênh nhiệt độ của hai đầu tiếp xúc và phụ thuộc vào

bản chất các kim loại tiếp xúc: Nếu 1 = 2 thì Etx = 0 Chính vì thế, nếu coi các mối tiếp

xúc A và B cùng nhiệt độ thì s.đ.đ nhiệt điện do hai mối đó tạo ra bằng khơng Dịng điện do s.đ.đ nhiệt điện sinh ra gọi là dòng nhiệt điện

b Ứng dụng hiện tượng nhiệt điện – Pin nhiệt điện

Trang 35

Gb

a

Hình 2.2: Đo nhiệt độ bằng pin nhiệt điện

2.2 Các phương pháp giải mạch một chiều 2.2.1 Phương pháp biến đổi điện trở

Phương pháp biến đổi điện trở chủ yếu để giải mạch điện có một nguồn Nội dung cơ bản là các phép biến đổi tương đương, đưa mạch điện phân nhánh về mạch điện không phân nhánh và do đó có thể tính tốn dịng, áp bằng định luật Ơm Ngồi ra cịn có thể kết hợp nhiều phương pháp khác để đơn giản hóa sơ đồ, làm cho việc giải mạch điện dễ dàng hơn

a Mạch điện gồm các điện trở mắc hỗn hợp

Mạch điện có điện trở đấu song song và nối tiếp, gọi là đấu hỗn hợp Bài toán giải mạch điện một nguồn tác động có các điện trở đấu hỗn hợp gồm các bước sau:

Bước 1 : Đưa mạch điện phân nhánh về mạch điện không phân nhánh, bằng cách thay các nhánh song song bằng một nhánh có điện trở tương đương

Bước 2 : Áp dụng định luật Ôm cho mạch khơng phân nhánh tìm ra dịng điện qua nguồn, cũng là dịng điện mạch chính

Bước 3 : Tìm dịng điện ở các mạch rẽ nhánh bằng cơng thức tính dịng điện nhánh trong mạch điện dấu song song

Trang 36

Hình 2.3: Mạch điện trở đấu song song

Quan hệ giữa dịng điện chính với các dòng điện các nhánh như sau: I.R = I1R1 = I2R2 = … = InRn

Từ đó nếu biết I, ta tìm được dịng điện trong các nhánh là:

i .iRIIR

- Trường hợp hai điện trở đấu song song thì:

1212211112.R RRRRRIIIIRRRR ; 1212122212.R RRRRRIIIIRRRR

Ngược lại nếu biết dịng điện mạch nhánh, ta tìm được dịng điện trong mạch chính là: . iiRIIR

Ví dụ 2.1a: Xác định dịng và áp trên các phần tử của mạch điện hình sau: Biết U =

Trang 37

Hình 2.4: Mạch điện trở ví dụ 2.1a

Giải:

Điện dẫn tương đương của đoạn BC là: 34511111110,17S102050BCBCgRRRR

Điện trở tương đương RBC:

1 1 5,880,17BCRg

Điện trở tương đương toàn mạch:

Trang 38

33388, 28,8210BCBCRUIIARR44488, 24, 4120BCBCRUIIARR55588, 21, 7650BCBCRUIIARR

b Biến đổi sao – tam giác (Y-)

Giả thiết có 3 điện trở R12, R23, R31, nối với nhau theo hình tam giác () Biến đổi

các điện trở đấu tam giác trên thành các điện trở đấu với nhau theo hình sao theo các cơng thức sau: 123123123123123122331122331122331 ;;R RR RR RRRRRRRRRRRRR (2.17)

Khi tam giác đối xứng: R12 = R23 = R31 = R Thì: R1 = R2 = R3 = R/3

Ví dụ: Tính dịng điện chạy qua nguồn mạch cầu (hình vẽ) Biết R1 = 12, R3 = R2= 6, R4 = 21, R0 = 18, E = 24V, Rn = 2

Giải:

Biến đổi tam giác ABC (R1, R2, R0) thành sao RA, RB, RC ta có:

2186126.12.02121RRRRRRA66181218.12.02101RRRRRRBR31

Hình 2.5 : Mạch biến đổi tam giác thành sao

Trang 39

3618126.18.02102RRRRRRC

Hình 2.6: Mạch biến đổi sao – tam giác ví dụ 2.1b

Điện trở tương đương ROD của hai nhánh điện trở song song là:

821366)213)(66()).((4343RRRRRRRRRCBCBOD

Điện trở tương đương của toàn mạch là: Rtđ = Rn + RA + ROD = 2 + 2 + 8 = 12

Dòng điện chạy qua nguồn là: I = 20.

12240AREtđ2.2.2 Phương pháp xếp chồng dòng điện

Đây là tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính

Trong mạch điện tuyến tính nhiều nguồn, dịng điện qua mỗi nhánh bằng tổng đại số các dòng điện qua nhánh do tác dụng riêng rẽ của từng sức điện động (lúc đó các sức điện động khác coi như bằng không) Nguyên lý xếp chồng được ứng dụng nhiều để nghiên cứu mạch điện có nhiều nguồn tác dụng

Phương pháp xếp chồng thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Thiết lập sơ đồ điện chỉ có một nguồn tác động

Trang 40

Bước 3: Thiết lập sơ đồ mạch điện cho nguồn tiếp theo, lặp lại các bước 1 và 2 cho

mỗi nguồn tác động

Bước 4: Xếp chồng (cộng đại số) các kết quả tính dịng điện, điện áp của mỗi

nhánh do mỗi nguồn tác động riêng rẽ

Ví dụ2.2: Hãy tính dịng điện I2 trong nhánh 2 của mạch điện a)

Hình 2.7: Phương pháp xếp chồng ví dụ 2.2

Giải:

Ta sẽ thực hiện các bước sau:

ư c 1: Lập sơ đồ chỉ có một sức điện động E1 tác dụng (hình b)

ư c 2: Giải sơ đồ mạch điện hình b chỉ có nguồn sức điện động E1 tác động

Ta có: Rtđ = R1 + 44 44.42.3232RRRRDòng điện nhánh 1 do nguồn E1 tác động là: I11 = 10.4401tđREDòng điện nhánh 2 do nguồn E1 tác động là: ARRRII 5444.10.3231121

ư c 3: Thiết lập sơ đồ chỉ có một nguồn E3 tác động (hình c)

ư c 4: Giải sơ đồ mạch điện hình c