Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng thành điện năng.. Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng th
Trang 1
CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
VỀ MẠCH ĐIỆN
1 Mạch điện và mô hình:
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 vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua Mạch điện thường gồm các loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn
Hình 1.1
a Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng thành điện năng
Hình 1.2
b Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng v.v…
Hình 1.3
c Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng kim loại (đồng, nhôm ) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải
Trang 21.2 Các hiện tượng điện từ:
1 Hiện tượng biến đổi năng lượng: Gồm 2 hiện tượng ngược nhau:
- Hiện tượng phát (hay còn gọi là hiện tượng nguồn): chuyển hoá các dạng năng lượng khác như cơ, hoá , nhiệt năng… thành năng lượng điện từ.Ví dụ hiện tượng nguồn như trong pin gavalnic, acqui, máy phát điện, pin mặt trời…
- Hiện tượng tiêu tán năng lượng: chuyển hoá năng lượng điện từ thành các dạng năng lượng khác như cơ, quang, hoá năng… Ví dụ như trong đèn sợi đốt, lò nung, môtơ điện…
2 Hiện tượng tích phóng năng lượng: Gồm 2 hiện tượng:
- Hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường ứng với vùng kho điện
là vùng năng lượng điện trường tập trung vào vùng điện trường của một không gian như các bản cực của tụ điện hoặc ngược lại đưa từ vùng đó trả lại nguồn trường điện từ
- Hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường ứng với vùng kho từ là vùng năng lượng điện từ tích từ trường vào không gian như lân cận một cuộn dây có dòng điện hoặc ngược lại đưa trả từ vùng đó trở lại nguồn trường điện từ
1.3 Mô hình mạch điện:
1 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…
Hình 1.4
2 Phần tử điện cảm:
Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng, từ thông Φ do dòng điện sinh ra sẽ móc qua W vòng của cuộn dây, tạo ra từ thông móc vòng ψ = W.Φ
Điện cảm của cuộc dây: L = ψ/i = W.Φ/i
Trang 3Đơn vị điện cảm là Henry (H)
Nếu dòng 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:
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp:
Năng lượng từ trường của cuộn dây:
2 0
0
M
2
1
i t
Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây
Hình 1.5
3 Phần tử điện dung:
Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện (hình 1.3.4), sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện.: q = C.uc
i = dq/dt = C.duc /dt
Ta có:
C
u C 1
Công suất tức thời của tụ điện: pc = uc.i = C.uc.duc/dt
Năng lượng điện trường của tụ điện:
2 0
0
E
2
1
u
C C t
Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường (phóng tích điện năng) trong tụ điện
Đơn vị của điện dung là F(Fara) hoặc μF
Trang 4Hình 1.6
4 Phần tử nguồn:
a Nguồn điện áp
Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn
Hình 1.7 Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng một sức điện động e(t)
Chiều e(t) từ điểm điện thế thấp đến điểm điện thế cao Chiều điện áp theo quy ước từ điểm có điện thế cao đến điểm điện thế thấp:
u(t) = - e(t)
b Nguồn dòng điện:
Nguồn dòng điện j(t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài
Hình 1.8
5 Phần tử thật:
2 Các khái niệm cơ bản trong mạch điện:
2.1 Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện:
Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang một vật dẫn: i = dq/dt
Hình 1.9
trong điện trường
2.2 Cường độ dòng điện:
j(t)
Trang 5
E1
Ek
Etâ
Khi có dòng điện chạy qua một vật dẫn thì trong khoảng thời gian nhỏ
t
vật dẫn đó Điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng trong một đơn vị thời gian được dùng để đặc trưng cho tác dụng của dòng điện một cách định lượng và được gọi là cường độ dòng điện I có độ lớn bằng :
t
q I
khoảng thời gian đó
Nói chung, giá trị của I có thể thay đổi theo thời gian và công thức trên
Đối với dòng điện không đổi công thức trên trở thành
t
q
i
Trong đó q là điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian t
2.3 Mật độ dòng điện:
Cường độ dòng điện qua một đơn vị diện tích được gọi là mật độ dòng điện, kí hiệu là δ (denta)
S
I
Với: S: diện tích tiết diện dây
Cường độ dòng điện dọc theo một đoạn dây dẫn là như nhau ở mọi tiết diện, nên ở chổ nào tiết diện dây nhỏ thì mật độ dòng điện sẽ lớn và ngược lại
3 Các phép biến đổi tương đương:
3.1 Nguồn áp ghép nối tiếp:
Hình 1.10
3.2 Nguồn dòng ghép song song:
Trang 6
Jtâ
Jk
R1
R3
I1
I2
R
A
U
U
I3
I
A R1 R2 R3
B
U
Hình 1.11
3.3 Điện trở ghép nối tiếp, song song:
Hình 1.12
điện trở có công thức tính như sau:
k k
R
1 1
1 1 1
2 1
Hình 1.13
3.4 Biến đổi Δ – Υ và Υ – Δ:
Khi phân tích mạch, người ta hay dùng phương pháp biến đổi Y/Δ là phương pháp biếnv đổi các nhánh nối hình Y của mạch thành các nhánh nối hình Δ và ngược lại
Ba điện trở đấu Y là ba điện trở có 1 đầu đấu chung thành điểm trung tính O, đầu còn lại nối với các phần khác Ký hiệu đầu dây là A, B, C Các điện trở tương ứng là RA, RB, RC
Trang 7A
RA
RCA
A
RA
O
B
RBC
A
Ba điện trở đấu Δ là ba điện trở trong đó mỗi điện trở sẽ đấu 2 đầu của mình với 2 điện trở còn lại tạo thành mạch vòng tam giác kín
a) Biến đổi Y thành Δ
Hình 1.14
C
B A B A AB
R
R R R R
A
C B C B BC
R
R R R R
B
A C A C CA
R
R R R R
b) Biến đổi Δ thành Y
Hình 1.15
CA BC AB
CA AB A
R R R
R R R
.
CA BC AB
BC AB B
R R R
R R R
Trang 8Ytâ
E
I
I
Z
Jtâ
U
I
I
Z1
Zk
E1
CA BC AB
CA BC C
R R R
R R R
3.5 Biến đổi tương đương giữa nguồn áp và nguồn dòng:
tổng dẫn Y (nguồn dòng điện - sơ đồ Norton) và ngược lại
Hình 1.16
J Z Y
J E
Y Z
td
td
1
E Y Z
E J
Z Y
td
td
1
E , Z2 … với Ek, Zk tương
Hình 1.17
k k k
td
k k
td
Y E J
J
Z Y
Từ hình 1.17 thấy có thể tìm một sơ đồ tương đương nguồn sức điện động
td
E
Trang 9E
U
k
k k td
td
td
td
td
Y
Y E Y
J
E
Y
Hình 1.18