KỸ THUẬT ĐIỆN THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TRÊN PHẦN MỀM CIRCUIT MAKER VÀ MATLAB

TÀI LIỆU GỒM CÁC PHẦN CHÍNH: I. ĐƯA RA LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT ĐIỆN. II. SỬ DỤNG PHẦN MỀM CIRCUITMAKER PRO ĐỂ THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN. III. SỬ DỤNG MATLAB TRONG QUÁ TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ GIẢI MẠCH ĐIỆN.

LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT ĐIỆN

THIẾT KẾ - MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN - PHÂN TÍCH

TRÊN PHẦN MỀM CIRCUITMAKER PRO VÀ

MATLAB

NỘI DUNG

Chương 1: 7

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN 7

1.1 Khái niệm về mạch điện 7

1.2 Kết cấu hình học của mạch điện 7

1.3 Các đại lượng đặc trưng cho quá trình năng lượng trong mạch: 7

a) Dòng điện: 7

b) Điện áp: 7

c) Quy ước chiều dương: 8

d) Công suất: 8

1.4 Mô hình mạch điện và các thông số: 8

a) Khái niệm về mô hình mạch điện 8

b) Nguồn áp 9

c) Nguồn dòng 9

d) Điện trở R 9

e) Điện cảm 9

f) Điện dung 10

g) Ví dụ chuyển từ mạch thực sang mô hình mạch điện 11

1.5 Phân loại và các chế độ làm việc của mạch điện 12

a) Mạch điện 1 chiều và mạch điện xoay chiều 12

b) Mạch điện tuyến tính và mạch điện phi tuyến 12

c) Chế độ xác lập và chế độ quá độ 12

d) Phân loại bài toán mạch điện 13

1.6 Hai định luật kiếchốp 13

a) Định luật 1: 13

b) Định luật 2: 13

1.7 Một số vấn đề về phương pháp mô hình hóa 13

CHƯƠNG 2: 15

MẠCH ĐIỆN 1 CHIỀU 15

2.1 Nguồn điện 1 chiều 15

a) Pin, acquy: 15

b) Pin mặt trời: 15

c) Máy phát điện 1 chiều: 15

d) Bộ nguồn điện tử công suất: 15

2.2 Các định luật của mạch điện một chiều 15

a) Định luật ôm: 15

b) Định luật Kiêcshôp 16

2.3 Các phương pháp biến đổi tương đương 16

a) Nội dung phương pháp: 16

b) Ví dụ minh họa: 18

2.4 Giải mạch điện bằng phương pháp xếp chồng 19

a) Nội dung phương pháp: 19

b) Ví dụ minh họa 19

2.5 Giải mạch điện bằng phương pháp dòng nhánh 20

a) Nội dung phương pháp: 20

b) Ví dụ minh họa 21

2.6 Giải mạch điện bằng phương pháp dòng vòng 22

a) Nội dung phương pháp: 22

b) Ví dụ minh họa: 23

2.7 Giải mạch điện bằng phương pháp thế điểm nút 25

a) Nội dung phương pháp: 25

b) Ví dụ minh họa: 26

Chương 3: 28

ĐIỆN TỪ 28

3.1 Những khái niệm cơ bản về từ trường 28

3.1.1 Từ trường của dòng điện. 28

3.1.2 Từ trường của một số dòng điện. 29

a) Từ trường của một dây dẫn mang dòng điện. 29

c) Từ trường của nam châm vĩnh cửu. 29

3.1.3 Cường độ từ cảm và hệ số từ thẫm. 30

a) Cường độ từ cảm. 30

b) Hệ số từ thẩm. 30

c) Từ thông 31

3.2 Lực của từ trường tác dung lên dây dẫn mang dòng điện 31

a) Lực điện từ 31

b) Công của lực từ: 32

3.3 Vật liệu sắt từ, đường cong từ hoá. 32

3.3.1 Căn cứ vào hệ số từ thẩm tương đối người ta chia vật liệu từ làm ba loại như sau: 32

3.3.2 Chu trình từ hoá. 33

3.4 Hiện tượng cảm ứng điện từ - mạch từ. 34

3.4.1 Định luật cảm ứng điện từ 34

a) Từ thông qua vòng dây biến thiên. 34

b) Thanh dẫn chuyển động trong từ trường. 35

3.5 Nguyên tắc chuyển đổi cơ năng - điện năng 36

3.5.1 Chuyển đổi cơ năng thành điện năng- máy phát điện. 36

3.5.2 Chuyển đổi điện năng thành cơ năng -động cơ điện 37

3.6 Hiện tượng tự cảm 37

3.6.1 Hệ số tự cảm. 37

3.6.2 Suất điện động tự cảm. 38

3.7 Hiện tượng hỗ cảm. 38

3.8 Dòng điện xoáy 38

3.8.1 Hiện tượng 38

3.8.2 ý nghĩa: 39

3.9 Năng lượng từ trường 39

Chương 4 40

DÒNG ĐIỆN SIN 40

4.1 Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện sin 40

4.1.1 khái niệm về dòng điện sin 40

4.1.2 Trị số tức thời của dòng điện 40

4.1.3 Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp 41

4.1.4 Trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp 41

4.2 Biểu diễn hàm sin bằng véc tơ 42

4.3 Dòng điện sin trong nhánh thuần điện trở 43

4.4 Dòng điện sin trong nhánh thuần dung 44

4.5 Dòng điện sin trong nhánh thuần điện cảm 45

4.6 Dòng điện sin trong nhánh có R, L, C nối tiếp. 45

Chương 5: 48

MẠCH ĐIỆN BA PHA 48

5.1 Định nghĩa: 48

5.2 Quá trình sản xuất nguồn điện 3 pha. 48

Nguyên lý làm việc như sau: 49

5.4 Cách nối sao 50

5.4.1 Cách nối 50

5.4.2 Các quan hệ đại lượng dây pha trong cách nối hình sao đối xứng 50

5.5 Cách nối hình tam giác 51

1 Cách nối 51

2 Các quan hệ giữa đại lượng dây và pha trong cách nối tam giác đối xứng. 51

1 Công suất tác dụng. 52

2 Công suất phản kháng. 52

3 Công suất biểu kiến. 52

5.7 Cách giải mạch điện ba pha đối xứng 53

5.7.1 Nguồn nối sao đối xứng 53

5.7.2 Nguồn nối tam giác đối xứng 53

5.7.3 Giải mạch điện ba pha tải nối sao đối xứng. 53

a) Khi không xét tổng trở đường dây pha. 53

b) Khi có xét tới tổng trở dây dẫn 54

5.7.4 Tải nối tam giác đối xứng. 54

a) Khi không xét tổng trở đường dây. 54

b) Khi xét đến tổng trở đường dây: 54

5.8 Mạch điện ba pha với tải không đối xứng. 55

5.8.1 Tải nối sao có dây trung tính tổng trở Z0 55

5.8.2 Khi không có dây trung tính( hoặc dây trung tính bị đứt) 56

5.9 Mach ba pha tải nối tam giác không đối xứng. 56

Chương 6: 57

SỬ DỤNG PHẦN MỀM CIRCUITMAKER PRO ĐỂ THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN 57

6.1.Khởi động 57

6.2.Thiết kế và mô phỏng mạch điện 1 chiếu: 57

6.2.1 Thiết kế 57

Bước 7: Ghi lại sơ đồ mạch: chọn File/ Save As sau đó đặt tên file 64

Bước 8: Xoá phần tử: Nếu muốn xoá phần tử nào chọn phần tử đó và ấn Delete64 62.2.Mô phỏng: 64

Chương 7: 66

SỬ DỤNG MATLAB 66

TRONG QUÁ TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ GIẢI MẠCH ĐIỆN 66

7.1 Khởi động: 66

7.2 Dùng Matlab giải hệ phương trình: 67

Chương 1:

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN

1.1 Khái niệm về mạch điện

− Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây

dẫn mà dòng điện có thể chạy qua

− Mạch điện gồm các phần tử sau:

+ Nguồn điện: là thiết bị phát ra điện năng Là thiết bị biến đổicác dạng năng lượng khác như cơ năng, hoá năng , nhiệtnăng ….thành điện năng

+ Tải : là thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi năng lượng từđiện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng,nhiệt năng, quang năng…

+ Dây dẫn : dây dẫn bằng kim loại dùng để truyền tải điệnnăng từ nguồn đến tải

1.2 Kết cấu hình học của mạch điện

− Nhánh : là một đoạn mạch gồm các phần tử nối tiếp nhau trong đó

có cùng một dòng điện chạy qua

− Nút: là điểm gặp nhau từ 3 nhánh trở lên

− Vòng : là nối đi khép kín qua các nhánh

1.3 Các đại lượng đặc trưng cho quá trình năng lượng trong mạch:

a) Dòng điện:

− Dòng điện i là đại lượng đặc trưng cho độ biến thiên của lượng điện

tích qua tiết diện ngang của vật dẫn:

dq i dt

− Tại mỗi điểm trên mạch điện có một điện thế Hiệu điện thế giữa

hai điểm gọi là điện áp

− Chiều của điện áp là chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện áp

thấp

c) Quy ước chiều dương:

− Đối với mạch điện đơn giản ta áp dụng quy ước chiều dương dòng

và áp ta dễ ràng xác định được dòng điện và điện áp trong cácnhánh

− Đối với mạch điện phức tạp , ta không thể xác định ngay được dòng

điện và điện áp của các nhánh, đặc biệt là đối với dòng xaoy chiều

Vì vậy khi giải mạch ta tuỳ ý chọn giả sử chiều dương cho dòngđiện và điện áp Dựa trên cơ sở chiều đã vẽ ta thiết lập hệ phươngtrình giải mạch điện Nếu sau khi ta tính toán thấy các đại lượngmang dấu dương tức là chiều của chúng cùng chiều đã vẽ và ngượclại

d) Công suất:

− Trong một mạch điện , một nhánh, một phần tử có thể nhận năng

lượng hoặc phát năng lượng

− Để phân biệt một nhánh là phát hay thu năng lượng ta chọn chiều

dòng điện và điện áp trong mạch điện có chiều trùng nhau Ở mộtthời điểm nào nếu

+ Nếu: p = u.i > 0 Nhánh là nhận năng lượng

+ Nếu: p = u.i <0 Nhánh là phát năng lượng

− Nếu ta chọn chiều dòng điện và điện áp trong mạch điện có chiều

ngược nhau Ở một thời điểm nào nếu

+ Nếu: p = u.i > 0 Nhánh là phát năng lượng

+ Nếu: p = u.i <0 Nhánh là thu năng lượng

− Đơn vị của dòng là A( Ampe), đơn vị điện áp là V( vôn), đơn vị

công suất là W( oát)

1.4 Mô hình mạch điện và các thông số:

a) Khái niệm về mô hình mạch điện

− Khi tính toán người ta thường thay thay mạch thực bằng mô hình

mạch điện

− Yêu cầu về mô hình mạch điện: mô hình mạch điện phải đảm bảo

kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như mạch điệnthực

− Một mạch thực cụ thể có nhiều mô hình mạch điện , điều đó là tuỳ

thuộc vào mục đích nguyên cứu và điều kiện làm việc của mạchđiện

− Các phần chính của mô hình mạch điện:

+ Nguồn điện áp u(t)

− Đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và bi?n đổi điện năng

sang các dạng năng lượng khác

− Điện ảp và công suất tiêu thụ trên điện trở là:

+ Khi có dòng điện i chạy qua mạch w vòng sẽ sinh ra từ thôngmóc vòng với cuộn dây được định nghĩa là:

.

w L

+ Năng lượng trên tụ

2

E

u c

W =

2 E

+ Ký hiệu:

+ Đơn vị: F

6 9 12

g) Ví dụ chuyển từ mạch thực sang mô hình mạch điện

− Hình bên là sơ đồ thay thay mạch điện : Máy phát điện được thay

thế bằng ef nối tiếp Lf, đường dây được thay thế bàng Rd và Ld,cuộn dây được thay thế bằng R, L

− Khi mạch điện mà nguồn điện lại là nguồn 1 chiều thì mạch điện

như sau:

C

i Uc

ef

R®

1.5 Phân loại và các chế độ làm việc của mạch điện

a) Mạch điện 1 chiều và mạch điện xoay chiều

− Căn cứ vào loại dòng điện có trong mạch ta phân ra: mạch điện 1

chiều và mạch điện xoay chiều

− Dòng điện 1 chiều là dòng điện có chiều không thay đổi theo thời

gian

+ Mạch điện có dòng điện 1 chiều gọi là mạch điện 1 chiều

+ Dòng điện có chiều không thay đổi theo thời gian gọi làmạch điện 1 chiều

− Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều thay đổi theo thời gian:

+ Dòng điện xoay chiều được sử dụng nhiều nhất là dòng điệnhình sin, biến đổi theo quy luật hình sin theo thời gian

+ Mạch điện có dòng điện xoay chiều gọi là mạch xoay chiều

b) Mạch điện tuyến tính và mạch điện phi tuyến

− Phụ thuộc vào các thông số R, L, C người ta phân mạch điện phi

tuyến và mạch điện tuyến tính

− Mạch tuyến tính là mạch có các phần tử R,L, C là hằng số không

phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u trên chúng

− Mạch điện phi tuyên là mạch điện có các phần tử R, L,C thay đổi

phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u trên chúng

c) Chế độ xác lập và chế độ quá độ

− Căn cứ vào quá trình năng lượng trong mạch người ta chia phân ra

chế độ xác lập và chế độ quá độ

− Chế độ xác lập là quá trình trong đó dưới tác động của nguồn, dòng

điện và điện áp ở các nhánh đạt trạng thái ổn định:

+ Ở trạng thái ổn định dòng điện và điện áp biến thiên cùngquy luật của nguồn

+ Đối với mạch điện một chiều các dòng điện và điện áp cũng

d) Phân loại bài toán mạch điện

− Nguyên cứu mạch điện gồm 2 phần là phân tích mạch và tổng hợp

mạch

− Bài toán phân tích mạch là cho biết thông số và kết cấu mạch điện

tìm dòng áp và công suất các nhánh

− Bài toán tổng hợp mạch điện là thành lập mạch điện với các thông

số và kết cấu thích hợp, để đạt yêu cầu về dòng, áp và năng lượng

1.6 Hai định luật kiếchốp

− Nếu quy ước dòng điện đi vào một nút mang dấu dương thì dòng

điện đi ra khỏi nút mang dấu âm

− Đi theo một vòng khép kín theo một chiều tùy ý tổng đại số các

điện áp rơi trên các phần tử R,L,C bằng tổng đại số các sức điệnđộng có trong vòng

1.7 Một số vấn đề về phương pháp mô hình hóa

( Trích trong bài báo “Mô hình hoá đối tượng thế giới thực -TS.

Hoàng Minh Sơn đăng trên tạp chí tự động hoá ngày nay)

− Xây dựng mô hình là công việc đầu tiên của người phân tích hệ

thống nói chung và người phân tích mạch điện nói riêng

− Mô hình là hình thức biểu diễn những hiểu biết của ta về hệ thống

một cách khoa học nhằm mục đích mô phỏng, phân tích, tổng hợp

một đói tượng nào đó

− Mô hình của đối tượng so với đối tượng thực thì nó đơn giản hơn

nhiều, mô hình chỉ mang thông tin cần thiết để phục vụ một mục

đích cụ thể

− Mô hình giúp người phân tích thiết kế hệ thống biết chính xác công

việc cần giải quyết

− Mô hình là yếu tố không thể thiếu được để kiểm tra giải pháp, mô

phỏng trước khi đi tới giải pháp thực tế

− Ngày nay việc mô hình hoá và mô phỏng đã trở nên thuận tiện và

dễ ràng hơn nhiều nhờ sự trợ giúp của máy tính cùng các phần mềm

chuyên dụng như matlab, circuit maker

CHƯƠNG 2:

MẠCH ĐIỆN 1 CHIỀU

2.1 Nguồn điện 1 chiều

a) Pin, acquy:

− Là thiết bị biến đổi hoá năng thành điện năng

− Điện áp giữa 2 cực của pin không lớn nên để có điện áp lớn ta

thường mắc nối tiếp các phần tử với nhau Để có dòng điện lớn tamắc các pin song song với nhau

b) Pin mặt trời:

− Pin mặt trời hoạt động dựa trên cơ sở hiệu ứng quang điện, biến đổi

trực tiếp từ quang năng thành điện năng

− Dưới tác động của ánh sáng, hình thành sự phân bố điện tích khác

dấu ở lớp tiếp xúc sẽ tạo ra điện áp ở hai cực

c) Máy phát điện 1 chiều:

Máy phát điện 1 chiều biến đổi cơ năng đưa vào trục của máythànhđiện năng lấy ra từ các cực của dây quấn

d) Bộ nguồn điện tử công suất:

Bộ nguồn điện tử công suất không tạo ra điện năng mà chỉ biến đổiđiện áp xoay chiều thành bộ điện áp một chiều thông qua các bộchỉnh lưu

2.2 Các định luật của mạch điện một chiều

a) Định luật ôm:

− Nhánh thuần trở R:

+ Điện áp trên điện trở: U = I.R

+ Dòng điện chạy qua điện trở

+ Đơn vị: U tính bằng vôn, I tính bằng A, R tínhΩ

− Nhánh sức điện động E và điện trở R:

+ Xét mạch điện như hình vẽ sau:

E2 R2

U 1

U I

− Định luật kiêcshốp 2: Đi theo một vòng khép kín theo một chiều

tùy ý tổng đại số các điện áp rơi trên các điện trở bằng tổng đại sốcác sức điện động có trong vòng

2.3 Các phương pháp biến đổi tương đương

a) Nội dung phương pháp:

− Biến đổi tương đương nhằm mục đích đưa mạch điện phức tạp về

mạch điện đơn giản hơn Khi biến đổi tương đương dòng điện vàđiện áp tại các bộ phận không bị biến đổi

− Các phương pháp biến đổi tương đương thương gặp

+ Các điện trở mắc nối tiếp:

Rtd= R1+R2+R3+…+Rn

+ Các điện trở mắc song song:

+ Biến đổi mạch sao thành mạch tam giác:

12 31 1

12 23 31

23 12 2

12 23 31

31 23 3

− Biến đổi tương đương mạch điện ba điện trở R1,R2,R3mắc hình sao

thành ba điện trở R12, R23 ,R31mắc tam giác

− Điện trở tương đương Rtd= 2 Ω

− Dòng điện mạch chính và công suất tiêu thụ

2.4 Giải mạch điện bằng phương pháp xếp chồng

a) Nội dung phương pháp:

− Nguyên lý xếp chồng: Trong mạch điện tuyến tính nhiều nguồn,

dòng điện qua các nhánh bằng tổng đại số các dòng điện qua cácnhánh do tác dụng riêng rẽ của từng sức điện động( lúc đó các sứcđiện động khác coi như bằng không )

− Trình tự áp dụng:

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

+ Bước 2: Tính dòng điện và điện áp trong mạch chỉ có mộtnguồn tác động

+ Bước 3: Thiết lập sơ đồ mạch điện cho các nguồn tiếp theo,lặp lại các bước 1 và 2 đối với các nguồn tác động khác

+ Bước 4: Xếp chồng ( cộng đại số)các kết quả tính dòng điện,điện áp của mỗi nhánh do nguồn tác dụng riêng rẽ

− Giả sử chiều dòng điện đi vào các nhánh như hình vẽ:

- Thiết lập sơ đồ chỉ có một nguồn E1tác động

2.5 Giải mạch điện bằng phương pháp dòng nhánh

a) Nội dung phương pháp:

− Nếu mạch có n nút và m nhánh thì theo định luật K 1 ta thiết lập

được n-1 phương trinh nút, theo định luật K2 ta thiết lập được n+1) phương trình vòng

− Giải hệ phương trình 3 phương trình 3 ẩn ta có giá trị các dòng

điện

− Giải hệ phương trình 5 phương trình 5 ẩn ta có giá trị các dòng

điện

2.6 Giải mạch điện bằng phương pháp dòng vòng

a) Nội dung phương pháp:

− Nếu mạch có n nút và m nhánh thì theo định luật theo định luật K2

ta thiết lập được (m - n+1) phương trình vòng

− Trình tự tiến hành:

+ Bước 1:Xác định số nút n và số nhánh m của mạch điện

+ Bước 2: Xác định (m-n+1) mạch vòng độc lập, thường chọnchiều dòng điện mạch vòng giống nhau để tiện lập phươngtrình

+ Bước 3: áp dụng định luật K2 cho mỗi mạch vòng, theo cácvòng đã chọn

+ Bước 4: Giải hệ phương trình tìm ra dòng điện giữa các mạchvòng

+ Bước 5:Tính dòng điện các nhánh theo dòng điện mạch vòngtheo quy ước Dòng điện trong mỗi nhánh bằng tổng đại sốcác dòng vòng đi qua các nhánh

− Mạch điện có n = 2 nút và m = 3 nhánh; Giả sử dòng điện đi vào

mỗi nhánh có chiều như hình vẽ

− Xác định m – n +1 = 2 mạch vòng độc lập trên đó chọn chiều dòng

điện ở mỗi vòng như hình vẽ

− Áp dụng định luật K2cho mỗi vòng ta có

− Mạch điện có n = 4 nút và m = 6 nhánh; Giả sử dòng điện đi vào

mỗi nhánh có chiều như hình vẽ

− Xác định m – n +1 = 3 mạch vòng độc lập trên đó chọn chiều dòng

điện ở mỗi vòng như hình vẽ

− Áp dụng định luật K2cho mỗi vòng ta có

− Giải hệ phương trình sau ta sẽ có các dòng điện vòng:

− Tính dòng điện các nhánh theo các dòng điện vòng

2.7 Giải mạch điện bằng phương pháp thế điểm nút

a) Nội dung phương pháp:

− Xác định sự phân bố điện thế tại các điểm nút trên sơ đồ mạch điện

thế các điểm này như biến trung gian, trên cơ sở đó sẽ xác địnhdòng điện trên các nhánh

− Trình tự tiến hành:

+ Bước 1: Xác định số nút n

+ Bước 2: Chọn một nút có điện thế biết trước

+ Bước 3: Biểu diễn dòng điện các nhánh theo suất điện động

và các điện thế các nút

+ Bước 4: áp dụng định luật K1 thiết lập n-1 phương trình

+ Bước 5: Giải hệ phương trình với biến là điện thế tại các nút

+ Bước 6: Tính dòng điện các nhánh trên cơ sở điện thế cácnút

Chương 3:

ĐIỆN TỪ

3.1 Những khái niệm cơ bản về từ trường

3.1.1 Từ trường của dòng điện.

− Một trong những hiện tượng quan trọng nhất của dòng điện là việc

tạo ra từ trường xung quanh nó Điều này được thể hiện khi ta đặtnam châm gần một dây dẫn mang dòng điện kim nam châm sẽchuyển đến một vị trí mới Nếu thay kim nam châm bằng một dâydẫn mang dòng điện khác ta sẽ thấy lực tương tác (hút hoặc đẩy)giữa hai dây dẫn Như vậy xung quanh dây dẫn mang dòng điệnluôn tồn tại từ trường, biểu hiện của nó là sự tương tác lên kim namchâm hay dây dẫn mang dòng điện khác, mà ta gọi là lực từ

− Từ đây ta có định nghĩa: Từ trường là một dạng vật chất, có biểu

hịên đặc trưng là tác dụng lực điện từ lên kim nam châm hay dâydẫn mang dòng điện đặt trong nó Thực nghiệm chứng tỏ rằng xungquanh dây dẫn mang dòng điện, hay nói chính xác hơn xung quanhcác điện tích chuyển động luôn tồn tại một điện trường và ngược lại

từ trường cũng chỉ xuất hiện ở những nơi có điện tích chuyển động

− Để biểu diễn từ trường bằng hình ảnh ta dùng khái niệm đường sức

từ Đường sức từ là đường cong vẽ trong từ trường mà tiếp tuyếnmỗi điểm của nó trùng với kim nam châm đặt tại điểm đó, chiềucủa đường sức từ là chiều hương từ cực bắc(N) đến cực nam(S) củakim nam châm Trong thực tế ngươi ta có thể làm hiện lên đườngsức từ bằng cách: rắc mạt sắt lên tấm bìa cứng, đặt vào trong từtrường, gõ nhẹ lên tấm bìa Khi đó mỗi mạt sắt nhiễm từ trở thành

Hình 3.1 Đường sức từ trường và quy tắc vặn nút chai

I

một kim nam châm, chiếc nọ nối tiếp chiếc kia theo các đường sức

từ Bằng các phương pháp đó người ta thấy rằng đường sức từ luôn

là những đường cong khép kín

− Để đặc trưng cho khả năng gây từ của dòng điện, tức độ mạnh yếu

của từ trường người ta dùng khái niệm cường độ từ trường, ký hiệu

là H Cưòng độ từ trường là một đại lượng véc tơ, véc tơ cường độ

từ trường tại một điểm có phương tiếp tuyến với đường sức quađiểm đó, có chiều thuận với chiều đường sức, có độ lớn tỷ lệ vớidòng điện tạo ra từ trường và hình dạng cấu tạo của dây dẫn, có đơn

vị là V/m

3.1.2 Từ trường của một số dòng điện.

a) Từ trường của một dây dẫn mang dòng điện.

− Đường sức từ là những vòng tròn đồng tâm trong mặt phẳng vuông

góc với dây dẫn, tâm ở tại trục của dây dẫn Chiều của đường sứcđược xác định theo quy tắc vặn nút chai

− Về độ lớn: cường độ từ trường H tại điểm M cách trục dây dẫn một

khoảng cách a là:

a 2

I H

π

b) Từ trường của ông đây hình trụ có dòng điện.

− Nếu chiều dài của ống đây đủ lớn so với đường kính, thì đường sức

từ trong ông dây song song với nhau, chiều đường sức cũng đượcxác định theo quy tắc vặn nút chai: Quay nút chai theo chiều dòngđiện trong ống thì chiều tiến của nút chai là chiều đường sức trongống dây Trong trường hợp này cường độ từ trường tại các điểmtrong ống đây sẽ bằng nhau Từ trường trong ống dây được gọi là từtrường đều và có tri số:

l

W I

+ Trong đó: I là dòng điện chạy trong dây dẫn

+ W là số vòng dây của ống

+ L là chiều dài của ống dây

c) Từ trường của nam châm vĩnh cửu.

Đường sức từ của nam châm vĩnh cửu đi từ cực bắc(N) đến cực

nam(S) Nếu hai cực nam châm phẳng và khá gần nhau thì các đường

sức khoảng giữa hai cực song song và cách đều nhau, ta bảo đó là từ

trường đều

3.1.3 Cường độ từ cảm và hệ số từ thẫm.

a) Cường độ từ cảm.

− Cùng một nguồn từ trường sinh ra nhưng đặt trong môi trường khác

nhau thì mức độ tương tác lực điện từ cũng mạnh yếu khác nhau

Đại lượng đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực làcường độ từ cảm

+ Cường độ từ cảm là một đại lượng véc tơ, véc tơ từ cảm cùngphương chiều với véc tơ cường độ từ trường Trị số cường độ

từ cảm bằng trị số lực điện từ tác dụng lên dây dẫn dài mộtđơn vị, mang dòng điện một đơn vị đặt vuông góc với đườngsức từ tại điểm đó

l I

F

− Trong hệ SI:

+ F: lực điện từ tính bằng đơn vị Niutơn

+ I: cường độ dòng điện tính bằng Ampe

+ L: chiều dài dây dẫn tình bằng mét

+ B: Cường độ từ cảm tính bằng Tesla, ký hiệu là T

+ Ngoài đơn vị là Tesla người ta còn dung đơn vị Gauser(1gao-xơ = 10-4 Tesla)

2 2

m

S V m 1 A 1

J 1 m 1 A 1

N 1 T

− ý nghĩa của tesla như sau: Một điểm của từ trường có cường độ từ

cảm 1 Tesla nghĩa là nếu đặt tại điểm đó một dây dẫn dài 1m, códòng điện 1A thì lực từ tác dụng lên dây dẫn là 1Niutơn

b) Hệ số từ thẩm.

− Cường độ từ cảm B là một đại lượng phụ thuộc vào môi trường

Gọi cường độ từ cảm của từ trường dòng điện trong chân không là

B0và ở môi trường nào đó là B thì ta có:

(3-5)

− μ gọi là hệ số từ thẫm tương đối của môi trường

− Tỉ số giữa véctơ cường độ từ cảm và cường độ từ trường gọi là hệ

số từ thẩm tuyệt đối của môi trường:

→

→

= µ

H

B

− Vì →B và H→ cùng phương chiều nên ta có:

B

a =

− Hệ số từ thẫm trong chân không ký hiệu là µ0 như vậy cường độ từ

cảm trong chân không

− Để đặc trương cho số đường sức xuyên qua vuông góc với diện tích

S người ta sử dụng từ thông (ký hiệu là Φ)

S B

=

− Trong đó: B: từ cảm đơn vị 1Tesla

S: diện tích từ trường xuyên qua đơn vị m2Φ: Từ thông đơn vị vêbe (ký hiệu: Wb)

− Ngoài vêbe người ta còn sử dụng đơn vị Maxwell(Mắc – Xoen ký

− Thực nghiệm chứng tỏ rằng đặt

một dây dẫn thẳng có dòng điệnvuông góc với đường sức của từtrường đều sẽ xuất hiện lực điện từ

B

F I

Hinh 3.2 Lực từ tác dụng lên

thanh dẫn

tác dụng lên dây dẫn được xác định như sau:

− Về trị số tỉ lệ với cường độ từ cảm B, cường độ dòng điện chay

trong dây dẫn và chiều dài tác dụng của dây dẫn ( chiều dài phầndây đắt trong từ trường)

l I B

− Dưới tác dụng của lực từ thanh dẫn

dịch chuyển được một đoạn b, khi

đó ta có công của lực điện từ tácdụng lên thanh dẫn là:

− A = F.b = B.I.l.b =B.I.S = I.Φ

(3-16)

− Trong đó S= l.b là phần diện tích

dây đẫn mang dòng điện quét qua

− Như vây công của lực điện từ tác

dụng lên dây dẫn làm đây dẫn dịchchuyển băng tích của dòng điện với từ thông dây dẫn đã quét qua

3.3 Vật liệu sắt từ, đường cong từ hoá

3.3.1 Căn cứ vào hệ số từ thẩm tương đối người ta chia vật liệu từ làm ba loại

như sau:

− Vật liệu thuận từ có µ>1 nhưng không vượt quá đơn vị nhiều Ví

dụ: Nhôm, thiếc, mănggan,…

− Vật liệu nghịch từ có µ<1 nhưng cũng không nhở hơn đơn vị một

cách đáng kể Ví dụ: Đồng, chì, bạc, kẽm,…Với cùng một nguồngây từ nhưng khi đặt trong vật liệu thuận từ và nghịch từ thì cường

độ từ cảm từ cảm B sẽ sai khác so với trong chân không Tuy nhiên

độ sai khác đó không lớn lắm

− Vì vậy với loại vật liệu này ta có: µ ≈ 1

− Vật liệu sắt từ là những vật liệu có hệ số từ thẫm tương đối lớn (từ

vai trăm đến vai vạn) và phụ thuộc vào cường độ từ trường Nhưvậy với cùng một nguồn gây từ nhưng nếu đặt trong vật liệu sắt từ

sẽ tạo ra cường độ từ cảm lớn hơn rất nhiều lần Vì vậy vật liệu sắt

từ được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật điện Những vật liệusắt từ thông dụng là: Sắt, côban, niken, …

B

b

l I

Hình 3.3 Công của lực

điện từ

O A

B C

− Vì hệ số từ thẫm μ của vật liệu sắt từ phụ thuộc vào cường độ từ

trường H, do đó quan hệ giữa cường độ từ cảm B và từ trường H :B=f(H) không phải là quan hệ tuyến tính Để thấy được mối quan

hệ này ta tiến hành thí nghiệm sau:

+ Tăng dần từ trường

H (bằng việc tăngdòng điện từ hoá),lúc đầu cường độ từcảm B tăng tỷ lệ với

từ trường H, đồ thịB=f(H) là đoạnthẳng OA Sau đócho H tiếp tục tăngnữa nhưng khi đo Btăng rất chậm(không tỷ lệ tuyếntính với H nữa) vàbắt đầu bước vào giai đoạn bão hoà, đồ thị B=f(H) là đoạnthẳng AB Khi đạt đến trạng thái bão hoà nếu tiếp tục tăng Hthi B cũng không tăng thêm nữa (B=BB)

+ Sau đó ta giảm dần H, lúc đó B cũng giảm dần, lực đầu giảmchậm nhưng sau đó giảm nhanh hơn Tuy nhiên, điều đángchú ý là cùng một giá trị H nhưng với hai trường hợp tăng vàgiảm từ trường sẽ cho hai giá trị B khác nhau, cường độ từcảm B lúc giảm H luôn lớn hơn lúc tăng, hay nói cách khác

đi B giảm chậm hơn H Hiện tượng đó gọi là hiện tượng từtrễ: Trong quá trình biến thiên, cường độ từ cảm luôn biếnthiên chậm hơn cường độ từ trường Khi cương độ từ trường

H giảm về không thì B vẫn còn một giá trị nào đó được gọi là

từ dư: Bdư(ứng với đoạn BC)

+ Để khử từ dư ta đổi chiều cường độ từ trường H (bằng cáchđổi chiều dòng điện từ hoá), tăng dần trí số vàe phía âm thi Bgiảm dần (đoạn CD), đến khi B=0 thì cường độ từ trườngtương ứng là Hkgọi là từ trường khử từ

+ Ta lại tiếp tục tăng từ giai đoạn khử từ cho đến giai đoạn bãohoà thực sự về phía âm (B=-BB) đồ thị B=f(H) là đoạn DE

+ Ta lại giảm cường độ từ trường H từ -BB về không, lúc đó Bgiảm dần từ -BBvề đến -Bdư (ứng với đồ thị đoạn EF).

+ Ta lại đổi chiều cường độ từ trường H và tăng lên đến giá trị+Hk thì cường độ từ cảm giảm về không, đồ thị B=f(H) làđoạn FG Tiếp tục tăng cường độ từ trường H thì cường độ từcảm B lại tiếp tục tăng cho đến gí trị bão hoà B=BB (tại điểmB), đồ thị B=f(H) là đoạn GB Ta được đường cong khép kín

BCDEFGB gọi là chu trình từ hoá hay chu trình từ trễ.

− Để đánh giá chu trình từ hoá người ta còn sử dụng đường trung

bình của đường cong từ hoá EOB gọi là đường cong từ hoá Chu

trình từ trễ hay đường cong từ hoá là đặc trưng cơ bản của vật liệusắt từ, căn cứ vào đây ta có:

+ Biết mức độ bão hoà từ dư

+ Biết mức độ từ dư

+ Biết sự thay đổi của hệ số từ thẫm tương đối μ theo sự thayđổi của cường độ từ trường H

+ Biết tính chất của vật liệu sắt từ (dựa vào mắt từ trễ)

• Vật liệu sắt từ cứng: Có chu trình từ hoá ngắn, rộng vàtrị số từ dư lớn Vật liệu điển hình cho vật liệu này làcôban Loại vật liệu này phù hợp với chế tạo namchâm vĩnh cửu Vật liệu điển hình cho vật liệu này làcôban

• Vật liệu sắt từ mềm: Có chu trình từ hoá dài, hẹp và trị

số từ dư nhỏ Vật liệu điển hình cho vật liệu này làthép silic Loại vật liệu này phù hợp với chế tạo các lõithép máy điện, khí cụ điện,

3.4 Hiện tượng cảm ứng điện từ - mạch từ

3.4.1 Định luật cảm ứng điện từ

a) Từ thông qua vòng dây biến thiên.

− Khi từ thông Ф xuyên qua vòng dây biến thiên sẽ cảm ứng một suất

điện động cảm ứng trong vòng đây suất điện động này có chiều saocho dòng điện nó